JP7743334B2 - River monitoring system and river monitoring method - Google Patents
River monitoring system and river monitoring methodInfo
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Description
本発明は、河川監視システムおよび河川監視方法に関する。 The present invention relates to a river monitoring system and a river monitoring method.
近年、無人航空機(UAV:Unmanned Aerial Vehicle、ドローン等)や人工衛星から得た河川画像(河川映像)から機械学習モデルを用いて水面を検出し、河川の氾濫状況を把握する河川監視システムが提案されている。 In recent years, river monitoring systems have been proposed that use machine learning models to detect water surfaces from river images (river footage) obtained from unmanned aerial vehicles (UAVs, drones, etc.) or satellites, and grasp the flooding situation of rivers.
特許文献1には、画像に映る河川の流れが通常状態と乖離しているか否か、及び、予め学習した氾濫状態に至る前の河川の状態をもとに氾濫する可能性があるかを判定する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses technology that determines whether the flow of a river shown in an image deviates from its normal state and whether there is a risk of flooding based on pre-learned data on the state of the river before it reached a flooding state.
ところで、河川監視に用いる機械学習モデルは、通常、多くの河川画像(河川映像)を学習させることにより作成される。すなわち、実際に機械学習モデルが利用される環境と近い場合には、機械学習モデルの精度が飛躍的に向上する。 By the way, machine learning models used for river monitoring are usually created by training them on many river images (river videos). In other words, the accuracy of the machine learning model improves dramatically when it is similar to the environment in which it will actually be used.
河川監視に用いる機械学習モデルには、河川が氾濫した氾濫箇所を正確に判定することが期待されている。しかしながら、実際に氾濫が発生している河川画像を収集することは困難であり、氾濫が発生していない河川画像(河川映像)を多く学習した機械学習モデルでは河川氾濫時に正確な氾濫箇所を判定することができない、という問題点がある。 Machine learning models used in river monitoring are expected to accurately identify flooded areas. However, it is difficult to collect images of rivers that actually flood, and machine learning models that have been trained on many images (river videos) of rivers that do not flood are unable to accurately identify flooded areas when rivers flood.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、河川氾濫時に正確な氾濫箇所を判定することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above, and aims to accurately determine flood locations when rivers flood.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、河川氾濫時に浸水が予測される箇所を示す疑似氾濫ラベルと、撮影画像とに基づいて、河川氾濫時の画像に似せた疑似氾濫画像を作成する学習画像作成部と、前記学習画像作成部で作成した前記疑似氾濫画像を疑似氾濫ラベルに対応付けて教師データとし、水面検出のための機械学習モデルを再学習する学習部と、前記学習部で再学習した前記機械学習モデルに基づき、撮影画像から水面が存在する箇所を推論し、河川氾濫の有無を検出する河川氾濫検出部と、を備える。 To solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the present invention comprises a training image creation unit that creates pseudo-flood images that resemble images of river flooding based on pseudo-flood labels that indicate areas predicted to be flooded in the event of a river flood and photographed images; a learning unit that associates the pseudo-flood images created by the training image creation unit with the pseudo-flood labels as training data and retrains a machine learning model for water surface detection; and a river flood detection unit that infers locations where water surfaces exist from photographed images and detects the presence or absence of river flooding based on the machine learning model retrained by the learning unit.
本発明によれば、河川氾濫時に正確な氾濫箇所を判定することができる、という効果を奏する。 The present invention has the effect of enabling accurate determination of flood locations when rivers flood.
以下に添付図面を参照して、河川監視システムおよび河川監視方法の実施の形態を詳細に説明する。 Embodiments of the river monitoring system and river monitoring method are described in detail below with reference to the accompanying drawings.
図1は、実施の形態にかかる河川監視システム100の構成を示すブロック図である。図1に示すように、河川監視システム100においては、撮影画像蓄積サーバ10と、ラベル保管サーバ20と、学習画像作成サーバ30と、学習サーバ40と、河川氾濫検出装置50と、少なくとも1以上の河川監視カメラ60と、がネットワーク70を介して接続されている。ネットワーク70は、例えば、LAN(Local Area Network)、イーサネット(登録商標)またはインターネットなどである。 Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a river monitoring system 100 according to an embodiment. As shown in Figure 1, in the river monitoring system 100, a captured image accumulation server 10, a label storage server 20, a learning image creation server 30, a learning server 40, a river flood detection device 50, and at least one river monitoring camera 60 are connected via a network 70. The network 70 may be, for example, a LAN (Local Area Network), Ethernet (registered trademark), or the Internet.
次に、撮影画像蓄積サーバ10と、ラベル保管サーバ20と、学習画像作成サーバ30と、学習サーバ40と、河川氾濫検出装置50とをそれぞれ構成するコンピュータ(サーバ)のハードウェア構成について説明する。 Next, we will explain the hardware configuration of the computers (servers) that make up the captured image storage server 10, label storage server 20, learning image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50.
ここで、図2はコンピュータ(サーバ)のハードウェア構成を示す図である。図2に示すように、撮影画像蓄積サーバ10と、ラベル保管サーバ20と、学習画像作成サーバ30と、学習サーバ40と、河川氾濫検出装置50とをそれぞれ構成するコンピュータ(サーバ)は、装置全体を制御するCPU(Central Processing Unit)等の制御部101と、各種データや各種プログラムを記憶するROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等の主記憶部102と、各種データや各種プログラムを記憶するHDD(Hard Disk Drive)やCD(Compact Disc)ドライブ装置等の補助記憶部103と、これらを接続するバス104を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成により実現可能である。CPUは、現在時刻を計る計時機能を有する。 Here, Figure 2 is a diagram showing the hardware configuration of a computer (server). As shown in Figure 2, the computers (servers) that make up the captured image storage server 10, label storage server 20, learning image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50 each include a control unit 101 such as a CPU (Central Processing Unit) that controls the entire device, a main memory unit 102 such as a ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory) that stores various data and programs, an auxiliary memory unit 103 such as an HDD (Hard Disk Drive) or CD (Compact Disc) drive that stores various data and programs, and a bus 104 that connects these. These can be realized using a hardware configuration that utilizes a typical computer. The CPU has a clock function that measures the current time.
なお、撮影画像蓄積サーバ10と、ラベル保管サーバ20と、学習画像作成サーバ30と、学習サーバ40と、河川氾濫検出装置50とは、補助記憶部103に記憶されるプログラムの違いにより、特有の機能をそれぞれ発揮する。 The captured image storage server 10, label storage server 20, learning image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50 each perform unique functions due to differences in the programs stored in the auxiliary memory unit 103.
また、制御部101には、情報を表示する表示部105と、ユーザの指示入力を受け付けるキーボードやマウス等の操作入力部106と、外部装置との通信を制御する通信I/F(interface)107とがバス104により各々接続される。 The control unit 101 is also connected via a bus 104 to a display unit 105 that displays information, an operation input unit 106 such as a keyboard or mouse that accepts user input instructions, and a communication I/F (interface) 107 that controls communication with external devices.
次に、このようなハードウェア構成において、撮影画像蓄積サーバ10と、ラベル保管サーバ20と、学習画像作成サーバ30と、学習サーバ40と、河川氾濫検出装置50とのそれぞれの制御部101が補助記憶部103に記憶されるプログラムを実行することにより各々実現される河川監視システム100の各種機能について説明する。 Next, we will explain the various functions of the river monitoring system 100 that are realized by the control units 101 of the captured image storage server 10, label storage server 20, learning image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50, each of which executes a program stored in the auxiliary memory unit 103 in this hardware configuration.
ここで、図3は河川監視システム100の機能的構成を例示するブロック図である。図3に示すように、河川監視システム100は、撮影画像蓄積部110と、ラベル保管部120と、学習画像作成部130と、学習部140と、河川氾濫検出部150とを備える。 Here, Figure 3 is a block diagram illustrating the functional configuration of the river monitoring system 100. As shown in Figure 3, the river monitoring system 100 includes a captured image storage unit 110, a label storage unit 120, a learning image creation unit 130, a learning unit 140, and a river flood detection unit 150.
撮影画像蓄積部110は、撮影画像蓄積サーバ10の制御部101が補助記憶部103に記憶されるプログラムを実行することにより実現される。ラベル保管部120は、ラベル保管サーバ20の制御部101が補助記憶部103に記憶されるプログラムを実行することにより実現される。学習画像作成部130は、学習画像作成サーバ30の制御部101が補助記憶部103に記憶されるプログラムを実行することにより実現される。学習部140は、学習サーバ40の制御部101が補助記憶部103に記憶されるプログラムを実行することにより実現される。河川氾濫検出部150は、河川氾濫検出装置50の制御部101が補助記憶部103に記憶されるプログラムを実行することにより実現される。 The captured image storage unit 110 is realized by the control unit 101 of the captured image storage server 10 executing a program stored in the auxiliary memory unit 103. The label storage unit 120 is realized by the control unit 101 of the label storage server 20 executing a program stored in the auxiliary memory unit 103. The training image creation unit 130 is realized by the control unit 101 of the training image creation server 30 executing a program stored in the auxiliary memory unit 103. The learning unit 140 is realized by the control unit 101 of the learning server 40 executing a program stored in the auxiliary memory unit 103. The river flood detection unit 150 is realized by the control unit 101 of the river flood detection device 50 executing a program stored in the auxiliary memory unit 103.
撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110は、河川監視カメラ60から取得した映像(撮影画像)を蓄積する。撮影画像は、ユーザによって任意に決定されて撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積されるものであってもよいし、時刻や天候、月日等、一定条件を満す場合に自動的に撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積されるものであってもよい。 The captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10 stores the video (captured images) acquired from the river monitoring camera 60. The captured images may be arbitrarily determined by the user and stored in the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10, or they may be automatically stored in the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10 when certain conditions, such as the time of day, weather, or date, are met.
ラベル保管サーバ20のラベル保管部120は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積された撮影画像に対して撮像画像毎に水面領域を抽出した通常ラベルを生成し保管する。また、河川氾濫時の浸水箇所を予測し、水面領域を抽出した疑似氾濫ラベルを生成し保管する。なお、通常ラベルおよび疑似氾濫ラベルは、ラベル保管サーバ20のラベル保管部120にて自動的または手動にて生成される。 The label storage unit 120 of the label storage server 20 generates and stores normal labels by extracting the water surface area for each captured image stored in the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10. It also predicts areas that will be flooded in the event of a river flood and generates and stores pseudo-flood labels by extracting the water surface area. Note that normal labels and pseudo-flood labels are generated automatically or manually by the label storage unit 120 of the label storage server 20.
図4は、通常時の撮影画像および通常ラベルの一例を示す図である。図4(a)は河川監視カメラ60から取得した撮影画像を示し、図4(b)は図4(a)に示す撮像画像に対する通常ラベルを示すものである。図4(b)に示すように、通常ラベルは、河川監視カメラ60から取得した撮影画像の河川領域を水面領域として抽出したものである。 Figure 4 shows an example of a normal image and normal label. Figure 4(a) shows an image captured by the river monitoring camera 60, and Figure 4(b) shows a normal label for the image shown in Figure 4(a). As shown in Figure 4(b), the normal label is obtained by extracting the river area of the image captured by the river monitoring camera 60 as a water surface area.
また、図5は、後述する学習画像作成サーバ30が作成する疑似氾濫画像および疑似氾濫ラベルの一例を示す図である。図5(a)は後述する学習画像作成サーバ30が作成する疑似氾濫画像を示し、図5(b)は、図5(a)に示す疑似氾濫画像に対する疑似氾濫ラベルを示すものである。図5(b)に示すように、疑似氾濫ラベルは、河川氾濫時に浸水が予測される箇所を水面領域として抽出したものである。図4(b)に示す通常ラベルおよび図5(b)に示す疑似氾濫ラベルでは、水面領域を白色でそれ以外を黒色で塗りつぶして表現している。 Figure 5 also shows an example of a pseudo-flood image and pseudo-flood labels created by the learning image creation server 30, which will be described later. Figure 5(a) shows a pseudo-flood image created by the learning image creation server 30, which will be described later, and Figure 5(b) shows a pseudo-flood label for the pseudo-flood image shown in Figure 5(a). As shown in Figure 5(b), the pseudo-flood label is an extracted water surface area where flooding is predicted in the event of a river flood. In the normal label shown in Figure 4(b) and the pseudo-flood label shown in Figure 5(b), the water surface area is represented by filling in white and the rest with black.
疑似氾濫ラベルは、実際には氾濫が発生していないが、大雨や台風の際に河川の水が溢れる可能性が高い箇所と、河川領域を水面領域としてアノテーションするラベルである。氾濫箇所の予測は過去のデータを用いる場合や地形データからシミュレートする事によって予測する。疑似氾濫ラベルを付与する方法としては、例えばGIS(Geographic Information System:地理情報システム)を利用し、撮影画像からおよその撮影箇所を推定する。そして、推定した撮影箇所に基づき、予め設定された地点の標高から所定の高さ以上低くなる箇所に対して、一様に疑似氾濫ラベルを付与する方法が挙げられる。なお、疑似氾濫ラベルは、地形データに加え浸水の原因(台風や大雨、ダムの放流等)やその規模等に応じて、複数生成してもよい。 Pseudo-flood labels are labels that annotate areas where rivers are likely to overflow during heavy rain or typhoons, even though no actual flooding has occurred, and river areas as water surface areas. Flooding locations are predicted using past data or by simulating topographical data. One method for assigning pseudo-flood labels is to use a GIS (Geographic Information System) to estimate the approximate location of a photograph from a captured image. Then, based on the estimated location, pseudo-flood labels are uniformly assigned to areas that are lower than a predetermined elevation by more than a certain height from a pre-set point. Note that multiple pseudo-flood labels may be generated depending on the cause of flooding (typhoons, heavy rain, dam discharge, etc.) and its scale, in addition to topographical data.
学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110から撮影画像を受け取る。また、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、ラベル保管サーバ20のラベル保管部120から疑似氾濫ラベルを受け取る。そして、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110から受け取った撮影画像と、ラベル保管サーバ20のラベル保管部120から受け取った当該撮影画像と対応する位置の疑似氾濫ラベルと、から、機械学習に用いるものであって河川氾濫時の画像に似せた疑似氾濫画像を作成する。 The training image creation unit 130 of the training image creation server 30 receives captured images from the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10. The training image creation unit 130 of the training image creation server 30 also receives pseudo-flood labels from the label storage unit 120 of the label storage server 20. The training image creation unit 130 of the training image creation server 30 then creates pseudo-flood images for use in machine learning that resemble images of river flooding, from the captured images received from the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10 and the pseudo-flood labels for positions corresponding to the captured images received from the label storage unit 120 of the label storage server 20.
より具体的には、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積されている撮影画像における疑似氾濫ラベルの白色箇所に対して色変換(例えば、通常の河川の撮影画像に対して河川部分の浸水を模倣した色を付与する)を行うことによって、疑似氾濫画像とする。 More specifically, the learning image creation unit 130 of the learning image creation server 30 creates a pseudo-flood image by performing color conversion on the white areas of the pseudo-flood labels in the photographed images stored in the photographed image storage unit 110 of the photographed image storage server 10 (for example, by adding a color that imitates flooding to a photographed image of a normal river).
図5(a)は、疑似氾濫画像の一例を示す図である。図5(a)に示すように、疑似氾濫画像は、通常の河川の撮影画像に対して河川部分の浸水を模倣した色を付与したものである。 Figure 5(a) shows an example of a pseudo-flood image. As shown in Figure 5(a), the pseudo-flood image is created by adding colors that mimic flooding to a photographed image of a normal river.
学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、作成した疑似氾濫画像を「教師画像」とし、当該疑似氾濫画像を作成するために用いた疑似氾濫ラベルを「正解ラベル」として、これらを対応付けて教師データとする。 The training image creation unit 130 of the training image creation server 30 defines the created pseudo-flood image as a "teaching image" and the pseudo-flood label used to create the pseudo-flood image as a "correct label," and associates these to create teaching data.
その後、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、学習サーバ40の学習部140へ作成した教師データを送信し、水面検出モデルの追加学習を行わせる。この学習によって、河川氾濫検出装置50の河川氾濫検出部150のロバスト性を向上させることができる。 Then, the training image creation unit 130 of the training image creation server 30 sends the created training data to the learning unit 140 of the learning server 40, causing additional training of the water surface detection model. This training can improve the robustness of the river flood detection unit 150 of the river flood detection device 50.
学習サーバ40の学習部140は、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130から受け取った教師データである疑似氾濫画像と疑似氾濫ラベルにより、水面検出モデルを再学習する。加えて、学習サーバ40の学習画像作成部130は、再学習した水面検出モデルを、現在動作している河川氾濫検出装置50の水面検出モデルと入れ替えることによって、後述する再学習フェーズを終了する。 The learning unit 140 of the learning server 40 retrains the water surface detection model using the pseudo-flood images and pseudo-flood labels, which are the training data received from the learning image creation unit 130 of the learning image creation server 30. In addition, the learning image creation unit 130 of the learning server 40 replaces the retrained water surface detection model with the water surface detection model of the currently operating river flood detection device 50, thereby completing the retraining phase, which will be described later.
河川氾濫検出装置50の河川氾濫検出部150は、河川の氾濫が起きた箇所を、河川監視カメラ60から取得した映像(撮影画像)およびディープラーニングによって学習した水面検出モデルを利用して判定する。 The river flood detection unit 150 of the river flood detection device 50 determines the location of river flooding using video (photographed images) acquired from the river monitoring camera 60 and a water surface detection model trained through deep learning.
ディープラーニングは、人間の脳のニューロンを模した多層構造のニューラルネットワーク(ディープニューラルネットワーク)を用いた機械学習手法の一種であり、データの特徴を自動的に学習できる手法である。本実施形態では、教師データを用いる教師ありディープラーニングである。教師データとは、「教師画像」と、正解の分類としての「正解ラベル」と、のペアである。本実施形態では、撮影画像および疑似氾濫画像を「教師画像」とし、各画像の水面領域を示す通常ラベルおよび疑似氾濫ラベルを「正解ラベル」としている。 Deep learning is a type of machine learning method that uses a multi-layered neural network (deep neural network) that mimics the neurons in the human brain, and is a method that can automatically learn the characteristics of data. In this embodiment, it is supervised deep learning that uses training data. Training data is a pair of a "training image" and a "correct label" that represents the correct classification. In this embodiment, the photographed image and the pseudo-flood image are considered "training images," and the normal label and pseudo-flood label indicating the water surface area of each image are considered "correct labels."
河川氾濫検出装置50の河川氾濫検出部150は、初期状態では、通常時の河川の流れを河川監視カメラ60で撮影した映像(撮影画像)を「教師画像」として取得する。そして、その「教師画像」である撮影画像に基づきディープラーニングを利用して河川の流れの特徴量を学習した水面検出モデル(機械学習モデル)に基づき、河川監視カメラ60で撮影された映像(撮影画像)から水面が存在する箇所を推論し、河川氾濫の有無を検出する。 In its initial state, the river flood detection unit 150 of the river flood detection device 50 acquires video (photographed images) of normal river flow captured by the river monitoring camera 60 as a "teacher image." Then, based on a water surface detection model (machine learning model) that uses deep learning to learn the characteristics of river flow based on the captured images (teacher images), it infers where the water surface exists from the video (photographed images) captured by the river monitoring camera 60 and detects whether or not a river is flooding.
続いて、河川監視システム100における河川監視処理について説明する。 Next, we will explain the river monitoring process in the river monitoring system 100.
ここで、図6は河川監視システム100における河川監視処理の流れを示すフローチャートである。図6に示すように、河川監視システム100は、河川監視処理の実行時において、非同期で推論フェーズと再学習フェーズとを動作させる。河川監視システム100は、再学習フェーズが終了した時に、現在動作している河川氾濫検出装置50の河川氾濫検出部150の水面検出モデルと再学習後の水面検出モデルとを交換する。 Here, Figure 6 is a flowchart showing the flow of river monitoring processing in the river monitoring system 100. As shown in Figure 6, the river monitoring system 100 asynchronously operates an inference phase and a relearning phase when executing river monitoring processing. When the relearning phase ends, the river monitoring system 100 replaces the water surface detection model of the river flood detection unit 150 of the river flood detection device 50 that is currently operating with the water surface detection model after relearning.
まず、再学習フェーズについて説明する。 First, let's explain the re-learning phase.
まず、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110は、河川監視カメラ60から取得した映像(撮影画像)を蓄積する(ステップS1)。 First, the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10 stores the video (captured images) acquired from the river monitoring camera 60 (step S1).
次いで、ラベル保管サーバ20のラベル保管部120は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積された撮影画像に対して付与する河川画像に係る通常ラベルおよび疑似氾濫ラベルを生成し保管する(ステップS2)。 Next, the label storage unit 120 of the label storage server 20 generates and stores normal labels and pseudo-flood labels for the river images to be assigned to the photographed images stored in the photographed image storage unit 110 of the photographed image storage server 10 (step S2).
続いて、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110から受け取った撮影画像と、ラベル保管サーバ20のラベル保管部120から受け取った疑似氾濫ラベルとから、学習に用いる疑似氾濫画像を作成する(ステップS3)。より具体的には、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積されている撮影画像について、疑似氾濫ラベルで示される水面領域(図6(b)に示す白色箇所)に対応する領域の色変換(例えば、通常の河川の撮影画像に対して河川部分の浸水を模倣した色を付与する)を行うことによって、疑似氾濫画像を作成する。 Next, the training image creation unit 130 of the training image creation server 30 creates pseudo-flood images to be used for training from the captured images received from the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10 and the pseudo-flood labels received from the label storage unit 120 of the label storage server 20 (step S3). More specifically, the training image creation unit 130 of the training image creation server 30 creates pseudo-flood images by performing color conversion (for example, applying a color that imitates the flooded river portion to a captured image of a normal river) on the areas corresponding to the water surface areas indicated by the pseudo-flood labels (white areas shown in Figure 6(b)) for the captured images stored in the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10.
疑似氾濫ラベル上の色変換の具体的な手法としては、Lab色空間を用いる。具体的には、座標(x,y)の画像の各ピクセルについて、疑似氾濫ラベルで示される水面領域に対応する部分のみを以下の変換式によって色変換する。 The specific method for color conversion on the pseudo-flood labels uses the Lab color space. Specifically, for each pixel in the image at coordinates (x, y), only the part corresponding to the water surface area indicated by the pseudo-flood label is color converted using the following conversion formula:
学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130は、作成した疑似氾濫画像を「教師画像」とし、当該疑似氾濫画像を作成するために用いた疑似氾濫ラベルを「正解ラベル」として、これらを対応付けた教師データを学習サーバ40の学習部140へ送信する。 The learning image creation unit 130 of the learning image creation server 30 regards the created pseudo-flood image as a "teaching image" and the pseudo-flood label used to create the pseudo-flood image as a "correct label," and transmits the teaching data associating these to the learning unit 140 of the learning server 40.
次いで、学習サーバ40の学習部140は、学習画像作成サーバ30の学習画像作成部130から教師データを受け取り、水面検出モデルを再学習する(ステップS4)。 Next, the learning unit 140 of the learning server 40 receives training data from the learning image creation unit 130 of the learning image creation server 30 and re-learns the water surface detection model (step S4).
加えて、学習サーバ40の学習部140は、再学習した水面検出モデルを、現在動作している河川氾濫検出装置50の河川氾濫検出部150の水面検出モデルと入れ替えることによって、再学習フェーズを終了する(ステップS5)。 In addition, the learning unit 140 of the learning server 40 ends the re-learning phase by replacing the re-learned water surface detection model with the water surface detection model of the river flood detection unit 150 of the currently operating river flood detection device 50 (step S5).
なお、本実施の形態では、ラベル保管サーバ20のラベル保管部120は、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110に蓄積した撮影画像毎に通常ラベルおよび疑似氾濫ラベルを生成しているが、これに限定されるものではない。例えば、河川監視カメラ60の撮影方向が固定されている場合、河川監視カメラ60を設置したタイミングでラベル保管サーバ20のラベル保管部120が、河川監視カメラ60の撮影個所、および、撮影個所のうち河川の増水等により浸水する可能性が高い箇所を推定し、通常ラベルおよび疑似氾濫ラベルを生成し保管するようにしてもよい。これにより、撮影画像毎に通常ラベルおよび疑似氾濫ラベルを生成する必要がなくなる。 In this embodiment, the label storage unit 120 of the label storage server 20 generates a normal label and a pseudo-flood label for each captured image stored in the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10, but this is not limited to this. For example, if the shooting direction of the river monitoring camera 60 is fixed, the label storage unit 120 of the label storage server 20 may estimate the location of the river monitoring camera 60's image capture and the locations within the location that are likely to be flooded due to rising river levels, etc., when the river monitoring camera 60 is installed, and generate and store normal labels and pseudo-flood labels. This eliminates the need to generate normal labels and pseudo-flood labels for each captured image.
また、撮影画像蓄積サーバ10の撮影画像蓄積部110は、時刻や天候、月日等、一定条件を満す場合に自動的に河川監視カメラ60から取得した映像(撮影画像)を蓄積するようにしてもよい。これにより、撮影条件の異なる撮影画像を取得することができ、条件の異なる多くの教師データを作成することができる。 In addition, the captured image storage unit 110 of the captured image storage server 10 may be configured to automatically store footage (captured images) acquired from the river monitoring camera 60 when certain conditions, such as the time of day, weather, date, etc., are met. This makes it possible to acquire captured images under different shooting conditions, and to create a large amount of training data under different conditions.
次に、推論フェーズについて説明する。 Next, we'll explain the inference phase.
河川氾濫検出装置50の河川氾濫検出部150は、所定のタイミングで、水面検出モデルに基づき、河川監視カメラ60で撮影された映像(撮影画像)から水面が存在する箇所を検出する(ステップS11)。 At a predetermined timing, the river flood detection unit 150 of the river flood detection device 50 detects locations where a water surface exists from the video (captured image) captured by the river monitoring camera 60 based on the water surface detection model (step S11).
このように本実施形態によれば、河川氾濫時の画像に似せた疑似氾濫画像を学習させて作成した水面検出モデル(機械学習モデル)に基づいて、撮影画像から水面が存在する箇所を検出することにより、河川監視に用いる機械学習モデルの精度が向上するので、河川氾濫時に正確な氾濫箇所を判定することができる。 In this way, according to this embodiment, by detecting areas where water surfaces exist in captured images based on a water surface detection model (machine learning model) created by learning pseudo-flood images that resemble images of river flooding, the accuracy of the machine learning model used for river monitoring is improved, making it possible to accurately determine flood locations when rivers flood.
なお、本実施の形態の撮影画像蓄積サーバ10、ラベル保管サーバ20、学習画像作成サーバ30、学習サーバ40および河川氾濫検出装置50で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD-ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD-R、DVD(Digital Versatile Disc)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。 In addition, the programs executed by the captured image storage server 10, label storage server 20, learning image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50 in this embodiment are provided as installable or executable files recorded on computer-readable recording media such as CD-ROM, flexible disk (FD), CD-R, or DVD (Digital Versatile Disc).
また、本実施の形態の撮影画像蓄積サーバ10、ラベル保管サーバ20、学習画像作成サーバ30、学習サーバ40および河川氾濫検出装置50で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施の形態の撮影画像蓄積サーバ10、ラベル保管サーバ20、学習画像作成サーバ30、学習サーバ40および河川氾濫検出装置50で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。 In addition, the programs executed by the captured image storage server 10, label storage server 20, training image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50 of this embodiment may be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by being downloaded via the network.In addition, the programs executed by the captured image storage server 10, label storage server 20, training image creation server 30, learning server 40, and river flood detection device 50 of this embodiment may be provided or distributed via a network such as the Internet.
さらに、本実施の形態の河川監視システム100は、撮影画像蓄積サーバ10と、ラベル保管サーバ20と、学習画像作成サーバ30と、学習サーバ40と、河川氾濫検出装置50とを備えることとしたが、これに限るものではなく、撮影画像蓄積部110と、ラベル保管部120と、学習画像作成部130と、学習部140と、河川氾濫検出部150との全ての機能を一つの装置で実現するものであってもよいし、いくつかの機能を組み合わせて一つの装置で実現するものであってもよい。 Furthermore, the river monitoring system 100 of this embodiment is equipped with a captured image storage server 10, a label storage server 20, a training image creation server 30, a learning server 40, and a river flood detection device 50, but is not limited to this. All of the functions of the captured image storage unit 110, label storage unit 120, training image creation unit 130, learning unit 140, and river flood detection unit 150 may be realized by a single device, or several functions may be combined and realized by a single device.
100 河川監視システム
110 撮影画像蓄積部
120 ラベル保管部
130 学習画像作成部
140 学習部
150 河川氾濫検出部
100 River monitoring system 110 Captured image storage unit 120 Label storage unit 130 Learning image creation unit 140 Learning unit 150 River flood detection unit
Claims (4)
前記学習画像作成部で作成した前記疑似氾濫画像を疑似氾濫ラベルに対応付けて教師データとし、水面検出のための機械学習モデルを再学習する学習部と、
前記学習部で再学習した前記機械学習モデルに基づき、撮影画像から水面が存在する箇所を推論し、河川氾濫の有無を検出する河川氾濫検出部と、
を備えることを特徴とする河川監視システム。 a learning image creation unit that creates pseudo-flood images that resemble images of river floods based on pseudo-flood labels that indicate areas that are predicted to be flooded when a river floods and on photographed images;
a learning unit that associates the pseudo-flood images created by the learning image creation unit with pseudo-flood labels to use them as training data and re-trains a machine learning model for water surface detection;
a river flood detection unit that infers locations where water surfaces exist from photographed images based on the machine learning model retrained by the learning unit and detects whether or not a river is flooding;
A river monitoring system comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の河川監視システム。 the learning image creation unit performs color conversion on areas in the captured images where flooding is predicted and which are indicated by the pseudo-flood labels;
2. The river monitoring system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の河川監視システム。 the learning image creation unit performs color conversion on the captured image to a color that imitates a flooded river portion;
3. The river monitoring system according to claim 2.
河川氾濫時に浸水が予測される箇所を示す疑似氾濫ラベルと、撮影画像とに基づいて、河川氾濫時の画像に似せた疑似氾濫画像を作成する学習画像作成工程と、
前記学習画像作成工程で作成した前記疑似氾濫画像を疑似氾濫ラベルに対応付けて教師データとし、水面検出のための機械学習モデルを再学習する学習工程と、
前記学習工程で再学習した前記機械学習モデルに基づき、撮影画像から水面が存在する箇所を推論し、河川氾濫の有無を検出する河川氾濫検出工程と、
を含むことを特徴とする河川監視方法。 A river monitoring method in a river monitoring system, comprising:
a learning image creation process for creating pseudo-flood images that resemble images of river floods based on pseudo-flood labels that indicate areas that are predicted to be flooded when a river floods and on photographed images;
a learning process in which the pseudo-flood images created in the learning image creation process are associated with pseudo-flood labels to be used as training data, and a machine learning model for water surface detection is retrained;
a river flood detection step of inferring locations where water surfaces exist from photographed images based on the machine learning model retrained in the learning step and detecting whether or not a river is flooding;
A river monitoring method comprising:
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