雲画像の色の属性と日射量の相関分析

太 陽 光 発 電 の 出 力 は 太 陽 か ら の 直 達 日 射 強 度 に 大 き く 依 存 し て い る が 、そ の 直 達 日 射 強 度 に 変 動 を 与 え る 要 因 と し て 空 を 流 れ る 雲 の 影 響 が 最 も 大 き い 。特 に 、天 気 が 晴 れ て い る 場 合 に は 発 電 出 力 が 大 き い た め 、直 達 光 が 遮 ら れ た 瞬 間 や 太 陽 の 出 現 時 に 出 力 変 動 が 大 き く な っ て し ま う 。そ の た め 、予 め 雲 の 動 き を 把 握 し 太 陽 に か か る タ イ ミ ン グ を 予 想 で き れ ば 、 日 射 量 ・ 太 陽 光 発 電 出 力 を 予 測 す る こ と が で き る 。 従 来 研 究 で は 気 象 レ ー ダ や 天 気 図 を 用 い た 予 測 シ ス テ ム の 開 発 が 行 わ れ て い た が

[ 2 - 1 ]、 雲 頂 高 度 デ ー タ を 用 い て い る た め 予 測 誤 差 が 大 き い 。 ま た 、 気 象 レ ー ダ を 用

い た 予 測 手 法 で は 地 域 レ ベ ル で 秒 単 位 の 雲 の 動 き を 捉 え る こ と が で き な い た め 、地 域 規 模 で 日 射 量 予 測 を 行 う 手 法 に は 適 し て い な い 。一 方 で 、全 天 雲 画 像 は 太 陽 の 位 置 を 考 慮 し て 小 さ な 雲 の 動 き や 急 峻 な 雲 の 動 き を 容 易 に 把 握 で き る た め 、全 天 雲 画 像 を 用 い た 予 測 手 法 の 開 発 が 行 わ れ て い る[ 2 - 2 ]~ [ 2 - 4 ]。 本 研 究 で は 、 図 2-1 に 示 す 雲 画 像 デ ー タ に 画 像 処 理 を 施 し 、雲 や 空 を 数 値 情 報 と し て 変 換 す る こ と で 雲 の 移 動 を 把 握 す る 。図 2-2 に 画 像 処 理 後 の 三 原 色 す べ て を 表 示 し た 図 を 、図 2-3～ 図 2-5 に RGB (Red, Green, Blue)カ ラ ー モ デ ル の 三 原 色 要 素 に 分 解 し た 画 像 を 示 す 。 画 像 の 画 素 数 は 760×760 の 57.8 万 画 素 で あ る が 、 処 理 速 度 を 向 上 さ せ る た め に 8×8 の 正 方 形 で 区 切 り 、 平 均 を し た 。 結 果 か ら 、RGB の 各 値 で は 雲 と 空 を 区 別 す る こ と が 難 し く 、 雲 の 動 き を 捉 え る こ と が で き な い こ と が 図 か ら 読 み 取 れ る 。 そ こ で 、 図 2-6~図 2-9 の よ う に RGB値 を 色 の 属 性 HLS (Hue:色 相 、Lightness, Brightness:

明 度 、Saturation:彩 度)に 変 換 し た 各 値 を 0~1 に 正 規 化 し て 相 関 を 確 認 す る 。

図 2-1 画 像 処 理 前 の 雲 画 像 元 デ ー タ

図 2-2 画 像 処 理 後 の 雲 画 像(R,G,B) 図 2-3 雲 画 像 の R 要 素(R,0,0)

図 2-4 雲 画 像 の G 要 素(0,G,0) 図 2-5 雲 画 像 の B 要 素(0,0,B)

図 2-6 雲 画 像 の 属 性 分 解(L,H,S) 図 2-7 雲 画 像 の 彩 度(1-S,1-S,1-S)

図 2-8 雲 画 像 の 明 度(L,L,L) 図 2-9 雲 画 像 の 色 相(H,H,H)

RGB モ デ ル の 各 値 で は 、空 と 雲 の 区 別 を 明 確 に 分 類 す る こ と が 困 難 で あ っ た が 、 HLS モ デ ル の 彩 度 の 図 で は 空 と 雲 を 分 類 で き て い る こ と が 確 認 で き る 。 こ れ は 、 雲 を 数 値 情 報 と し て 認 識 す る た め に は 、 画 像 の 「 明 暗 」 で は な く 「 色 の 鮮 や か さ 」 が 重 要 で あ る こ と を 示 し て い る 。HLS モ デ ル の 各 属 性 の 関 係 を 図 2-10 に 示 す 。雲 が 彩 度 に よ っ て 空 と 区 別 で き る 理 由 は 、 空 は 図 の 上 部(彩 度 1)付 近 の 色 が 似 て お り 雲 は こ の 図 の 下 部(彩 度 が 0)付 近 の 色 に 似 て い る た め で あ る と 考 え ら れ る 。つ ま り 、 空 と 雲 を 数 値 デ ー タ と し て 識 別 す る た め に は 彩 度 の 情 報 を 用 い る こ と が 最 も 有 効 的 で あ る と 言 え る 。

図 2-10 色 の 三 属 性 と 空 画 像 の 色 の 関 係 性

明 度 L (0~1) 色 相 H (0~360°)

彩 度 S (0~1)

0 360

0

1 1

0 空 の 色

雲 の 色

こ こ で 、HLS モ デ ル の 各 値 と 日 射 強 度 の 数 値 デ ー タ を 比 較 し 、 画 像 デ ー タ と 日 射 強 度 の 相 関 性 を 確 認 す る 。 図 2-11 は 撮 影 し た 空 画 像 に お け る 雲 の 移 動 方 向 と 太 陽 の 位 置 、 分 析 す る 測 定 点(☆ 印)で 示 す 。 時 刻 は i か ら i+5 ま で 示 し て い る が 、 時 間 を 追 う ご と に 雲 が 各 画 像 上 方 か ら 下 方 へ 移 動 し て い る こ と が 確 認 で き る 。こ の 移 動 し て い る 雲 が 図 中 の 太 陽 に か か り 日 射 量 低 下 を 招 い て い る 。そ の た め 、太 陽 に か か る 前 の 測 定 点 ☆ の ピ ク セ ル か ら 抽 出 す る 色 の 属 性 デ ー タ の 時 系 列 と 日 射 量 の 時 系 列 デ ー タ を 比 較 し 、既 述 し た 通 り 、色 の 属 性 が 日 射 量 に 影 響 を 与 え る か を 検 証 す る 。 図 2-12 に 日 射 量 、 測 定 点 の 彩 度 ・ 色 相 ・ 明 度 の 時 系 列 デ ー タ を 示 す 。 日 射 量 は 雲 の 通 過 に よ っ て 変 動 し て い る こ と が わ か る が 、色 の 属 性 に も 雲 の 通 過 に よ っ て 影 響 が 出 て い る こ と が 確 認 で き る 。こ の 波 形 か ら 日 射 量 と 彩 度 の 波 形 が 非 常 に 類 似 し た 挙 動 が み ら れ る 。特 に 時 系 列 中 で み る と 、測 定 点 を 雲 の 移 動 の 上 流 、つ ま り 雲 が 太 陽 に か か る 前 に 設 定 し て い る た め 、彩 度 の 挙 動 は 日 射 量 の 挙 動 よ り 早 く 起 き て い る 。こ の こ と か ら 、彩 度 の 挙 動 を 把 握 し て お け ば 日 射 量 が 変 動 す る 前 に 事 前 に 変 動 を 把 握 す る こ と が 可 能 で あ る 。ま た 、色 相 や 明 度 は 日 射 量 が 低 下 す る 少 し 前 に 変 化 す る 傾 向 が あ る が 、 こ れ は ハ レ ー シ ョ ン(雲 に 強 い 光 が 当 た り 反 射 し 、 周 り が 白 く ぼ や け る 現 象)に よ る も の だ と 考 え ら れ る 。 こ の 傾 向 は 日 射 量 低 下 に 直 接 的 に 関 係 は な い が 、予 測 時 に 雲 の 移 動 方 向 を 把 握 す る 補 助 要 素 と し て 活 用 で き る 可 能 性 が あ る 。

i i+1 i+2

i+3 i+4 i+5 図 2-11 空 画 像 に お け る 雲 の 移 動 方 向 と 太 陽 ・ 測 定 点 の 位 置 雲 の 移 動 方 向

図 2-12 日 射 量 と 測 定 点 ☆ に お け る 彩 度 ・ 色 相 ・ 明 度 の 時 系 列 デ ー タ

人 が 図 2-11 か ら 視 覚 的 に 雲 の 流 れ や 雲 量 を 捉 え る こ と は 可 能 で あ る が 、 数 値 デ ー タ に と し て コ ン ピ ュ ー タ で 雲 の 流 れ を 認 知 す る こ と は 困 難 で あ る 。そ の た め 、本 研 究 で は 、空 画 像 全 体 に 対 し て 彩 度 の 相 関 関 係 を 求 め 、そ の 相 関 係 数 を 用 い て 雲 の 流 れ を 認 知 す る 手 法 を 用 い る 。図 2-13 に 相 互 相 関 係 数 を 求 め る 概 念 図 を 、式(2-1) に 相 互 共 分 散 関 数 、 式(2-2)に 相 互 相 関 係 数 算 出 式 を 示 す 。図 2-13 か ら 、 画 像 中 に は 太 陽 周 辺 に 複 数 の 画 素 が あ り 、各 画 素 で 彩 度 の 時 系 列 デ ー タ を 得 る こ と 可 能 で あ る 。

800 900 1000 1100

日射強度[W/m2 ] 日射強度

0 0.05 0.1 0.15 0.2

彩度[p.u.]

彩度

180 210 240 270 300

色相[°]

色相

0.7 0.8 0.9 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

明度[p.u.]

経過時間[10min]

明度

図 2-13 雲 画 像 か ら の 相 関 係 数 算 出 過 程 の 概 要 図

𝐶

(𝑖, 𝑙) = Cov(𝑥

(𝑙), 𝑦

(𝑖, 𝑙)) =

∑

(𝑥

(𝑙) − 𝜇

)(𝑦

(𝑖, 𝑙) − 𝜇

)

𝑅

(𝑖, 𝑙) = Cor(𝑥

(𝑙), 𝑦

(𝑖, 𝑙)) =

𝐶_𝑚(𝑖,𝑙)

√¹

𝑙∑^𝑙_𝑁=1(𝑥_𝑡,𝑁(𝑙)−𝜇_{𝑥𝑡,𝑁(𝑙)})²¹_𝑙∑^𝑙_𝑁=1(𝑦_{𝑡−𝑚,𝑁}(𝑖,𝑙)−𝜇𝑦𝑡−𝑚,𝑁(𝑖,𝑙))²

(2-2)

た だ し 、Cm(i ,l)は 相 互 共 分 散 関 数 、 μY は Y の 平 均 ベ ク ト ル 、xt(l)は 日 射 量 の 時 系 列 デ ー タ 、yt - m(i,l)は 雲 画 像 の 各 画 素 に お け る 彩 度 の 時 系 列 デ ー タ 、Rm(i,l)は 相 互 相 関 関 数 を 表 す 。

彩度 日射 強度

予測

l m l

現在時刻t 彩度

m

m R_m( ,l)

R_m( ,l) max(R_m(i,l)) m(max(R_m(i,l)))

ただしiは測定点数

図 中 の ☆ 、◇ 点 で も そ れ ぞ れ の 彩 度 の 時 系 列 デ ー タ を 得 る こ と が で き る 。相 関 分 析 は 現 在 時 刻 t に お い て 実 績 デ ー タ を 用 い て 行 う 。ま ず 、相 互 共 分 散 行 列 を 算 出 す る た め に 、分 析 を 行 う 範 囲 l を 指 定 す る 。次 に 共 分 散 行 列 を 作 成 す る が 、日 射 量 点 (直 達 光 の み 考 え れ ば 太 陽 の 位 置)と 彩 度 抽 出 点 に は 面 的 に 距 離 が あ る た め 、こ の ま ま 日 射 量 xt と 各 彩 度 yt(i)で 相 関 関 数 を 生 成 す る と 時 間 的 な 遅 れ が 存 在 す る 。 例 え ば 、図 中 ☆ 印 と 太 陽 の 位 置 を 考 え る と 、雲 は 太 陽 に か か る 前 に ☆ 点 を 通 過 す る た め 、 日 射 量 よ り 彩 度 の 方 が 先 に 変 化 す る 。 そ の 時 間 差 を m と す る と 、 相 関 関 数 を 生 成 す る 前 に そ の 時 間 差 だ け 補 正 す る 必 要 が あ る 。 従 っ て 、 日 射 量 の 時 系 列 xt と 時 刻 を m だ け シ フ ト し た 彩 度 の 時 系 列 yt - m(i)の 相 関 係 数 を 算 出 す る 。た だ し 、時 間 差 m は ピ ク セ ル 毎 に 異 な る た め 、 本 研 究 で は 最 も 相 関 係 数 Rm(i,l)が 大 き く な る m を ピ ク セ ル 毎 に 求 め た 。 こ の 時 間 差 m は 太 陽 に 近 い 程 小 さ く 、 太 陽 か ら 遠 い 程 大 き く な る 傾 向 が あ る 。す な わ ち 、m は 予 測 可 能 時 間 を 表 し て お り 、m が 短 け れ ば 短 時 間 予 測 に な り 、 長 け れ ば 長 い ほ ど 長 時 間 先 を 予 測 で き る こ と を 示 し て い る 。 図 2-14 に 空 画 像 全 体 の 彩 度 と の 相 関 係 数 分 布 を 示 す 。彩 度 と の 相 関 係 数 分 布 で は 、相 関 係 数 Rmが 0.8<Rm、0.4<Rm、そ の 他 の 範 囲 で 分 類 し て お り 、明 色 な 程 相 関 が 高 い こ と を 示 し て い る 。こ の 例 で は 、太 陽 は 画 像 の 中 心 付 近 に 位 置 し て お り 、雲 は 右 上 方 か ら 流 れ て い る 。そ れ に 伴 い 太 陽 右 上 の 相 関 係 数 も 高 い こ と を 示 し て い る 。そ の た め 、

i i+1 i+2 図 2-14 晴 れ 日 に お け る 空 画 像 全 体 の 相 関 係 数 分 布

空 画 像

彩 度 と の 相 関 係 数

雲 流 上 流 の 相 関 係 数 が 高 い 画 素 の 彩 度 を 見 る こ と で 事 前 に 日 射 量 を 把 握 で き る こ と が わ か る 。一 方 、相 関 係 数 分 布 図 中 に 相 関 関 係 が 強 い 箇 所 が 点 在 し て い る こ と が 確 認 で き る が 、こ れ は 既 述 し た 通 り 相 関 係 数 分 布 一 時 刻 断 面 で は 雲 の 流 れ を 認 知 す る こ と が 困 難 で あ る こ と を 示 唆 し て い る 。上 記 の こ と か ら 、よ り 高 い 予 測 精 度 を 追 及 す る に は 、一 時 刻 断 面 の 関 係 だ け で は な く 時 間 変 化 も 考 慮 し て 予 測 手 法 を 開 発 す る 必 要 が あ る 。

図 2-15 に 曇 り 日 の 空 画 像 と 相 関 係 数 分 布 を 示 す 。 こ の 例 は 、 晴 れ の 場 合 と 違 い 相 関 が 強 い 画 素 箇 所 が ほ と ん ど な く 、平 均 的 な 係 数 が 広 く 分 布 し て い る 。そ の た め 、 高 い 精 度 の 予 測 は 行 え な い と 言 え る 。た だ し 曇 り や 雨 の 日 は 、日 射 量 自 体 も 少 な く 日 射 強 度 変 動 も 小 さ い た め 、予 測 精 度 の 悪 化 が 電 力 系 統 に 悪 影 響 を 及 ぼ す 可 能 性 は 低 い と 考 え ら れ る 。

図 2-15 曇 り 日 に お け る 空 画 像 全 体 の 相 関 係 数 分 布