2012.02.23 STE研究所研究集会

アナログマグネトグラムの高時間分解能デジタイズ

増子徳道○1、山本哲也2、芥川真由美1、源泰拓1
1気象庁地磁気観測所

2気象庁気象研究所

目的
アナログマグネトグラム（印画紙記録）を高精度な数値時系列データに変換する

マグネトグラム

1分値データ、30秒値データ2アナログ時代の地磁気観測 模式図

京大地磁気センター小田木氏作成

3

アナログマグネトグラム（地磁気印画紙記録）
1時間

1984年8月1日

気象庁地磁気観測所（柿岡）のマグネトグラム
1枚＝1日分の記録
・地磁気3成分（水平・鉛直・偏角）が記録されている
・1時間間隔で読み取って数値化されている

印画紙のサイズ
縦 約20cm
横 約51cm
A4横×2程度

4利用可能な地磁気データ期間（柿岡）
アナログマグネトグラムの存在する期間（柿岡）1924年～1995年
デジタルデータの利用可能な期間

デジタル収録の導入
1976年

毎時値はマグネトグラムから読み取った値
毎分値は1976年～
毎秒値は1983年～
マグネトグラム：1924年～1995年

1924～1976年は、毎時値とマグネトグラムのみ

5世界中の地磁気観測点数

2011.02.24 家森ほか（SET研究所研究集会資料）
6開発したマグネトグラム数値化の手順
マグネトグラム高精度にスキャン入力
オートトレース＆数値データ化プログラム（自主開発）

自動処理

出力

時系列数値データ

認識結果の確認用画像（認識した線を塗色した画像）
7

自動 画像認識＆数値データ化 のイメージ
現在の毎時値よりもはるかに時間分解能の高いデータが自動処理で抽出できる
記録線の中心を認識し、水平座標・垂直座標を算出
時間と振幅に変換

タイ
ム
マー
ク

タイムマークの間隔は 1時間

タイ
ム
マー
ク

ベースライン
その後、感度情報等*を使用し磁場値に変換（*基線値，寸法値等）

8

スキャンの解像度
スキャンの解像度は600dpi（dots per inch）で実施⇒ 時間解像度 ≒ 7.6秒/1dot （8dots/1分）⇒ 振幅解像度 ≒ 0.1nT/1dot
参考： 従来の毎時値は時間分解能 ＝ 1時間
振幅分解能 ＝ 1nT （最小単位）⇒ マグネトグラム1枚につき、4600pixels×12000pixels ≒ 55Mpixels
600dpi → 600dots/25.4mm → 23.62dots/1mm

参考： BGSのマグネトグラムスキャン
resolution = 21Mpixels

刻時線（タイムマーク）の間隔(1時間) = 20.0mm→ 472.4dots/20mm(=1時間) → 1dot/7.6秒 → 7.9dots/1分
600dpi → 25.4mm / 600dots → 0.042mm/dot

寸法値は約 2.5nT/mm → 2.5×0.042 → 0.1nT/dot

9数値データ（毎分値）の算出イメージ
1分

毎正分の前後 計8dotから（1分≒7.9pixel）

最小二乗法により毎正分の値を算出
1分

1分

横１画素毎の磁場変化

中心点磁場値

変化量曲線

正分

1分間隔で縦線を引いた場合

時刻
正分

時間

10時間分解能の検討
2 分3分程度のパルス幅なら精度良く認識可能

1995年頃の記録（平均的な線幅の記録の場合）

線幅： 0.4mm前後
1分

分解能： パルス幅
2分程度（1分≒7.9pixel）

同じ変化速度でも線が太いと平滑化されてしまう

磁
場
変化

3分

※印画紙上の1.0mmは約3分に相当する

1960年代の記録
線幅： 1.0mm弱
1分間隔で縦線を引いた場合

時間

分解能： パルス幅
3分程度
11毎30秒値，毎15秒値
パルス幅3分程度の変化を認識可能 →
毎30秒値，毎15秒値の数値化が有効
毎15秒値

毎30秒値

毎15秒の前後 計2dotから算出

毎30秒の前後 計4dotから算出
横１画素毎の中心点

磁場値

磁場値

正分

30秒

時刻

時刻

変化量曲線

正分

30秒

45秒

正分15秒 30秒 45秒

正分

15秒 30秒

12オートトレースプログラムに実装した技術
変化量曲線

ベースライン

マグネトグラムの一部を拡大

タイムマーク

交わる線から必要な部分を自動認識

オートトレース結果

Z成分

D成分

Z成分

D成分

D成分

Z成分

D成分

Z成分

交差する成分の進行方向を指示することで自動分離

13オートトレースプログラムに実装した技術1○ ベースラインと変化量曲線が交差する場合 の自動認識
マグネトグラムの一部を拡大したもの

変化量曲線

ベースライン

タイムマークオートトレースにより各線を認識したもの

ベースラインとして認識

ベースライン中の変化量曲線を認識

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オートトレースプログラムに実装した技術2○ 変化量曲線同士が交差する場合 の認識処理

一部を拡大したもの
マークを記入する
オートトレースを実行
Z成分

D成分

Z成分
D成分

手動でマークを記入すれば、交差点でも認識が可能

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オートトレースプログラムに実装した技術3
画像全体のくすみ等を1枚ごと計算し、記録線を認識する処理

累積
頻度%

画像全体
（変化量曲線用）
水平方向行平均（ベースライン用）

印画記録は1枚毎に線の濃度（輝度）が異なるため、輝度分布の割合から背景輝度の閾値を求める

垂直方向列平均（刻時線用）

5%

輝度

16

数値化精度の評価方法
アナログ記録（マグネトグラム）の観測とデジタル出力（毎分値・毎秒値）の観測が並行して行われていた期間について数値化を行い、マグネトグラムからの数値化データと既存のデジタル記録を比較する。

アナログとデジタル毎分値の並行収録期間
アナログとデジタル毎秒値の並行収録期間

マグネトグラム

アナログ収録磁力計：吊り磁石変化計
デジタル収録磁力計：光ポンピング磁力計
17毎30秒値化を実施＋既存データと比較
1995年5月2日の印画記録（柿岡H成分）を30秒値化し、既存の毎秒値（を30秒平均したもの）と比較した数値化された30秒値

100nT10nT

両者の差分

既存の毎秒値から算出した30秒値
h UTC

上段は、印画紙記録から数値化した30秒値データ
中段は、既存毎秒値（KASMMER）の30秒平均
下段は、上段と中段の差（印画記録からデジタル化した値とデジタル収録値との差）
18毎30秒値化を実施＋既存データと比較数値化された毎30秒値データ

100nT

既存の毎秒値から算出した
毎30秒値データ
両者の差分

両者の差分を拡大して表示

1nT
19

並行観測期間以前の毎分値化を実施
柿岡の毎分値が存在するのは1976年～。
1975年以前の印画紙記録を毎分値化し、既存の毎時値と比較した。
1969年2月1日～4日の柿岡H成分
4nT

間

印画紙記録の毎分値化結果

印画紙記録から再現した
毎分値
既存の毎時値

200nT毎時値の差（既存毎時値－再現毎分値の60分平均）
nT

2nT

既存
毎時
値との差は±1nTに分布日

Feb.
1969

UTC

毎時
値の内
挿では得られない
詳
細な磁場
変動
20

変換の精度
既存毎分値との差毎分値変換結果 H，Z，D成分

σ≦0.1nT 82%

4nT

10分間標準偏差σ≦0.2nT 98%

10分間標準偏差4nT

σ≦0.1nT 97%
σ≦0.2nT 99.7%

10分間標準偏差
σ≦0.02′ 98%0.4′

σ≦0.01′ 88%21数値データ化に必要なもの● マグネトグラムの高精度なスキャン画像● 感度情報、オフセット情報（寸法値・基線値）

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データベース科研費へ申請中
現在、平成24年度データベース科研費への申請を行っている。
● 代表者 ： WDC-Kyoto 能勢● 数値化する資料：
気象庁地磁気観測所の1990年以前のマグネトグラム（約5万枚：1924年～1990年）● デジタル化したデータはWDCとKakiokaサーバから公開する● 1年目（平成24年度）は、1990年－1975年（16年分）×3地点（柿・女・鹿）
2年目以降、順次年代を遡る

23

まとめ
● マグネトグラムの高精度な数値データ化が可能● 時間分解能は、1分～15秒くらい （それ以上も可能）● 変換誤差は、標準偏差 0.1nT● まずは精度の良い、気象庁地磁気観測所のマグネトグラムについて数値化し、今後、各国他機関の記録についても数値化したい24

2012.02.23 STE研究所研究集会

アナログマグネトグラムの高時間分解能デジタイズ

プレゼン資料
おわり