実測水位と降水短時間予報に基づくリアルタイム低平地氾濫予測モデルの開発

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H02310
• 研究機関: 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
• 研究代表者: 吉永 育生 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, グループ長 (50414420)
• 研究分担者: 中田 達 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 主任研究員 (10584336) ; 島崎 昌彦 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 推進室長・技術支援センター長等 (30355135) ; 木村 延明 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 上級研究員 (40706842) ; 皆川 裕樹 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 上級研究員 (70527019) ; 福重 雄大 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 研究員 (80845850)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: リアルタイム / 流出予測モデル / ANNモデル / 画像認識

研究実績の概要

佐賀県の農地を対象とした調査を継続し、収集した水位や画像の分析を進めるとともに、モデルの高度化を実施した。また、それぞれの個別モデル等では、外部データの取り込みにかかるデータフォーマットの統一を行い、相互に連携が可能となった。個別のモデル開発状況は、次のとおり。
1）水路の水位と氾濫の予測：排水解析モデルの改善と計算処理手法の確認を実施した。地区のモデル化におけるコントロールヴォリュームの設定方法の変更等により、数値振動や発散等が減少し再現性が向上した。
2）地区への流入量の予測：ANNモデルの高度化と対象地区等への適用を実施した。高度化については、洪水イベントのようにサンプル数が少ない場合にも、気象条件等が類似した他流域のデータを利用する転移学習の機能と、予測精度の不確実性の可視化の機能を、新たにANNモデルに導入した。また、高度化したANNモデルを対象地区などに適用し、モデルのロバスト性を検証した。
3）自流域からの短期流出の予測：水路流れと背後地流れを同時に計算処理する方法の定量的な評価を行った。同方法を他手法との比較した結果、物理的な再現性が高く連続条件が保たれていること、計算コードがやや複雑になるが計算速度は他手法と同等であること、が確認された。
4）画像認識による水門での水位、流量計測：水門モニタリングシステムの精度検証のための、水理模型実験を実施した。ゲートの上下流の水位とゲートの開度から、ゲートの下側を通過する流量に換算する精度を検証した。AIによる水門の認識率は良好であるが、3Dカメラの測距解像度の制約により、水位が低下して場合に水深の推定精度が低下した。現地実装の際はカメラの設置位置に注意することが示唆された。さらに、画像認識による流速の推定手法を検討した。水利施設の諸元、流量や死水域の大きさ等から撮像に必要な条件を整理した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 河川洪水予測用の事前学習モデルの構築と検証 (2024)
  • 著者名/発表者名: 木村 延明、皆川 裕樹、福重 雄大、馬場 大地
  • 雑誌名: 土木学会論文集特集号（水工学）論文 巻: 80 ページ: n/a～n/a
  • DOI: 10.2208/jscejj.23-16147
  • 査読あり
• [雑誌論文] ベイズ推定の代替手法を用いた不確実性を可視化する排水機場遊水池のLSTM水位予測モデル (2024)
  • 著者名/発表者名: KIMURA Nobuaki、MINAKAWA Hiroki、FUKUSHIGE Yudai、YOSHINAGA Ikuo、BABA Daichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of JSCE 巻: 80 ページ: n/a～n/a
  • DOI: 10.2208/jscejj.23-22011
  • 査読あり
• [雑誌論文] 転移学習を用いた洪水イベントAI事前学習モデルの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 延明、皆川 裕樹、福重 雄大、馬場 大地
  • 雑誌名: 河川技術論文集 巻: 29 ページ: 79～84
  • DOI: 10.11532/river.29.0_79
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Convolutional LSTM と転移学習を用いた洪水予測モデルの高度化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 延明、皆川 裕樹、福重 雄大、吉永 育生、馬場 大地
  • 雑誌名: AI・データサイエンス論文集 巻: 4 ページ: 361～368
  • DOI: 10.11532/jsceiii.4.3_361
  • 査読あり / オープンアクセス