一般社団法人 WNI 気象文化創造センター

https://www.wxbunka.com/

選考委員特別賞

佐々木嘉和賞
賞金 5 万円・アメリカ研修旅行

ぱすかるん
長崎県立長崎西高等学校

2015 年第 4 回高校・高専気象観測機器コンテスト

No.２５1accoVaVcVu

QGu

cDQ
BVeQDuu
crAckVcoc

aru
crAa

1 ccc
a 0 28c,.
8ad,urkVc

Bucocu

Voc
ac

AAiu
Dcc

Aaacr

VVac

VVacccrAddnd
Acarc
BVcdeQDu
Zc

ucau
A

QuadaruauVncaudaakua uVn nVdoVuuoVBauacccuuaAQuA .
ckVXcoc,cud.

8duc
adcudo,,1,carukuocu

cruucdaQucca 0 2

8caucadcuuduuuacZcuBuu

kVcZccQuccar
A

Vocc

AQudduoau

B

XdanD

Qu

kcoaacu

BduuoccVo2

8Vudu

VcuVnad.
QucrAaaVQuk,

XaduaXdu kuuQurAccVucccudccdcaQurA
VVdQu aQucadQ

ZDVdcrAuBDdukVcauuVnVcaQ

uaamudDccad

Qucduud5d5u5 c5ucucuucdcocu

5D
Guoco,caa Q
ad
ca
Q
A
crA

uocuo aao
QG
rAauc

DucucukVud

DZcA,cQuuoouau

ZccVPAaadkQccor

VcdVu

DducacVPZacVQuaDuaac

DVdVVAccoc

ScDVVkV一般社団法人 WNI 気象文化創造センター

https://www.wxbunka.com/

選考委員特別賞

衛星賞
賞金 5 万円、衛星オペレーション見学会

波高船（はこぶね）
独立行政法人国立高等専門学校機構
鳥羽商船高等専門学校

2015 年第 4 回高校・高専気象観測機器コンテスト

No.１６27114
42

1. o]wllybliegnhShlnlnnteg tbnonlinl eg ]Rln
U b ltlbho) ,))ilt b7 8niSn nohAcigP 7 8ig tSnLhoni
7 8Rt bnh nynR, no(lt b7(8nlPbwlo
U liRhL itUlbwlon lgcVho Ulgi tghS
RL ittbynlny nlliRhS
Un nil
R ityi golhgRg t RhL bw
RgnRha hlglnlt bn
l/13 / 9 1
3G A	 ybliRhStoniihny nlnynih nnl Wnt bRLoRighlRhho Uynbanhnit bhon2 ln
3 lgtiwllgtiwt

1io1.

22.
2.1obwn
GPSPV2loyotgg tyhnllonnynnntn]nil

nn nnllihnbwn
hno GPS nlg tb
Microsoft Azureilg
Webnligl]

2.

2.2olynni

SbVt bnl3lonlVttbbwl
nbwnP4R Ulbn
3gtn
l20kgtb1lnt

3.

4

1gitRnbwlo
hibRtiRyhSRnbwlolhS cV UiegSta hR nlLeg
hSnl( nVt b tbbloyl
5 . n nt bonllihltnnn(htnolg/13onnih wiRhStn	 	 lth 7A 8o
7A8o
ottb  oh!! = 0.1 ∗ !! + 0.9 ∗ !!!!

(1)!

(2)

!! = !!!! + ! !! (!! − !!!! )!

5nlg4.

)ltn

5.

nn
6

2.3 WeboRln nt b an
gttn 420 i
RtRhttbhbnlnthSblihoRl 6nRLebllni liPtih  ;96,(9!%%:8
!%%# 0$:8 $&. 1/ +<427):8 &.7)":8# ' 7)5>"7=*3

7

3.
3.1nbnbntl7)8nn
t bnolnolltlLt bn
tb

bwl

n
Rntb

golhonlislgolltt bR
b3.2
lninnbtnoPP m ]giRhSt RlhAnRiRt b anl VgniiRtnlgo, llnRgiRhR U iRhoita hnlolLbnnilnRlitlnlbtn
hgiRhSt bnhlnoeS iiRh 

2015%11%03
9:00

2015%11%0311:30(7.

2015%11%03
16:30

2015%11%03
14:00

2015%11%0319:00)[cm]()[cm]

i

n
8in

2015%11%03
21:30

8.

b

9.

b9n

4. Plhonibwn
bwn 6bnlLboiRhSt b tblgPUiR
hSt bonninliRhSt bni gna g
R Wtnolbtilb tg bc blL Ri[ t bbtb

WNInnlLbnnn mebhn

RnhhSgnnnngntlbc

l[1]
http://www.npa.go.jp/archive/keibi/biki/higaijokyo.pdf[2]
http://www2.ttcn.ne.jp/honkawa/4363b.html
[3]
25
9i

http://www.asahi.com/articles/ASH9L5G0BH9LUTIL04K.html
[4]
27
9llg
http://www.bousai.go.jp/updates/h27typhoon18/pdf/h27typhoon18_25.pdf(2015-10-21)[5]
http://www.jma.go.jp/jp/choi/graph.html?areaCode=211&pointCode=13530210一般社団法人 WNI 気象文化創造センター

https://www.wxbunka.com/

代表理事特別賞
賞金 5 万円

雨粒に関する詳細記録装置
清風南海高等学校

2015 年第 4 回高校・高専気象観測機器コンテスト

No.１９

雨粒に関する詳細記録装置
清風南海高等学校
科学研究部 気象観測班

チームリーダー：山本騎道

共同研究者：中山慎崇

奥出陽太

大和田 宗目次
1.

はじめに ........................................................... 22.

観測機器の概要や構造 ............................................... 33.

運用結果 ........................................................... 84.

今後の展望 ......................................................... 95.

まとめ ............................................................ 106.

参考文献 .......................................................... 107.

添付ファイル一覧 .................................................. 108.

謝辞 .............................................................. 11

9.

最後に ............................................................ 1111. はじめに
近年の気象観測体制が各種機器や技術の開発や向上により進化を遂げ続け、様々な気象現象を高精度で観測することができるようになった。
利用できる身近な気象情報もかなり増え、きめ細かな情報体制も確立している。
雨、風、雷などをはじめとする基本気象現象の情報もインターネットやテレビなどの様々なメディアで取り扱うことができ、日常生活に大いに役立っている。
そこで、基本的気象情報にこだわらず、雨についての新たな情報を獲得すべく、形状と雨の落下時の衝撃の大きさに焦点を当て、時々刻々変化する雨の様子をそのまま微視的に観測することを目指した。
今までにあまり観測されてこなかった二つの事象を詳細に提供することで、そこからの利用が広がり、雨についてのさらなる解析が進むことも視野に入れながら、目新しい情報を随時提供したいと考え、機器の開発を試みた。利用者がこの新しい情報を獲得することで、「雨」という身近な存在について改めて見直し、興味関心を集めるきっかけとなれればと考える。
制作に際して、できるだけ身近な機材で小型化、安価化をめざし、制御部に「Arduino」を使用し、それによって、カメラ・赤外線センサー・圧力センサーを用いて入力を行い、出力にパソコンを用いることにより、構造的にシンプルなシステム目指した。
特に、わかりやすい出力を目指して、数値で強さを比較し、写真で形状を見るといった分かりやすい情報を提供し、利用者が複雑な操作を行わなくとも情報を利用できるよう心掛けた。

2

2. 観測機器の概要や構造機器の全体構造と運用プロセス・プログラム・情報の処理に分けて順に記述する。

＜Ａ＞機器の全体構造と運用プロセス
下図・写真に全体構造を示し、順に説明する。

写真 1

3

機器の外観

図 1

機器の構造図以下に各部位の詳しい働きを記述する。
ア

本体部（塩ビパイプ）
雨の通り道になり、センサーやカメラを搭載させ、観測機器の中心部分である。

イ

本体部（プラスチックケース）
処理部やファン電源の収納を果たす。

ウ

雨侵入部① 赤外線センサー「Arduino」が雨粒の侵入を検知するためのセンサー。（赤外線については後に詳述する。）② カメラ
雨粒の形を撮影する。
③ フラッシュ（ＬＥＤ）
被写体の形を粒状に映すために瞬間的に光を出す。
エ雨排出部④ 圧力センサー
雨粒がセンサーに与える圧力を計測する。（雨の強さを雨粒がセンサーに与える圧力の大きさを計測することによって評価する。）

オ処理部⑤ Arduino(マイコン)・各センサーとつなぎ、赤外線センサーの変化を検出し回路を開始させ、また収集された情報を処理し、出力部に引き渡す。

カ換気部
⑥ ファン
プラスチックケースの内部の空気を回し、湿気を外に出す。

4

⑦ 支柱・ネジによる固定塩ビパイプおよびプラスチックケースの安定した自立を実現するため、支えを施す。
以下に各部分に分けてプロセスを説明する

入力部（記録）のプロセスについて①雨粒が侵入する②赤外線センサーが検知③記録開始④カメラが写真を撮影
図 2⑤圧力センサーが作動⑥雨粒が外に抜ける

入力・記録のプロセス①雨粒が雨侵入部から入る。
②＜赤外線に関して＞センサーが発する赤外線が雨粒に当たると反射する。
そのことを利用して、受光部が反射した赤外線を受光したとき、赤外線の反射率が上がり、それを「Arduino」が検知する。
（雨粒が通過したと判断できる）③「Arduino」が赤外線センサーの変化を検知したときに、以降の記録を開始する。
（カメラの画像をパソコンが、圧力センサーの値を「Arduino」が読み取る）。
なお、「Arduino」は常時赤外線センサーや圧力センサーの値を読み込み、その変化（反射率の変化等）について判断している。
④雨粒がそのまま中の塩ビパイプを通り抜け、パイプの出口付近にあるカメラによって形が捉えられる。
＜撮影に関して＞
カメラはモノクロで 24fps、絞りＨ4 で撮影する。
フラッシュにはＬＥＤを使用し、約 50～500 ㎲間電流を流し、瞬間的な撮影に対応した。
⑤雨粒は落下を続け、最終的に動線の終点に設置された圧力センサーに当たり、センサーが雨の落下時の衝撃の大きさをそれに当たる圧力の大きさとして計測する。
⑥記録された雨粒は雨排出部を通り抜け、機器から外へ。

5

出力部のプロセスについて①圧力センサーの値は常にArduinoに送られる
図 3②Arduinoでデータをパソコンに引き渡す
圧力センサーデータ転送プロセス④カメラが撮影を行う
図 4③パソコンが情報を受信する⑤撮影データーをパソコンに転送する

カメラ撮影データ転送プロセス

なお二データは作成された時点から転送を始める。
（同時進行すること。）＜Arduino について＞
ワンボードマイコンの一種で、プログラムでスイッチや回路を制御でき、機器の機能達成のための最適な制御部。
（プログラムや制御法は後述する。
）＜Ｂ＞機器の制御プログラム
機械の制御に関わるプログラムやアルゴリズムについて
以下操作をＣ++の言語に『opencv』という拡張ライブラリを組みこんだ処理部と「Arduino」で動作させる。
①カメラで撮った画像をプログラムが読み込む。
②画像をコンピュータが直線を検出するのに最適な形に変換する。
③変換した画像の一部分の点 a について、a の両隣の点の明度・彩度を検出・比較し、それらがほぼ等しい（差が範囲内）な点を検出する。
④③を画像の隅々まで行う【canny・エッジ検出】。
⑤③で検出した箇所以外の点を白色で表示する（背景は黒一色）。
⑥表示された白色の点の集合から、直線を検出する【確率的ハフ変換】。
⑦検出した直線の始点・終点を割り出し、距離を検出する。

＜Ｃ＞データの処理
データの処理法について
9 圧力数値データは主にセンサーから Arduino に送られ、そこからパソコンに送られる。
9 撮影画像データはカメラからそのままパソコンに直接転送される。

6

形式として、カメラの画像データと圧力センサーの圧力数値データであり、それをパソコンでは写真とテキストファイルとしてそれぞれ表示させる。
ユーザーは写真を見て、数値データを比較などすることによって観測結果を利用する。

以下にシステムの工夫点を例挙する＜記録＞
 高価なハイスピードカメラを使用せず、より入手しやすく、より安価な市販の白黒カメラを用いて記録できるようにした。
 フラッシュ（ＬＥＤ）を極めて短時間に焚き、雨粒の画像を出力できるようにした。
そして、短時間の制御ができるように、フラッシュにＬＥＤを使用した。
 カメラの記録開始のスイッチとして、比較的に簡単に制御できる赤外線センサーを使用した。
＜出力＞
 記録結果を記録媒体にではなく、ほぼ同時にパソコンに転送し、パソコンですぐに利用できるようにした。
＜構造・防水＞
 塩ビパイプだけでは機械が自立しないので、全体のバランスと防水を考え、外枠にプラスチックケースを使用した。ケース内に機器の一部を収納したが、雨天時など湿度の高い状態での観測が基本なので、機器への影響を考え、換気扇（ファン）を設置した。
 外枠のプラスチックケース下部や換気扇（ファン）からの雨水の侵入を防ぐために、ケースの下に台座を設置し地面より高くした。また、ケースの蓋からの雨水の侵入を防ぐために、蓋の隙間にスポンジを張り付けた。

7

3. 運用結果
注・観測装置完成後、実際の雨の発生に立ち会うも、度重なる機械の整備不良で残念ながら実際の雨を観測することが出来なかった。その為、クラブで疑似的に現象（高所から水滴を降らす）を起こし、それを記録することとした。以下にその結果を記述する。

¾ 2015 年 11 月 04 日
20時ころ

①運用状況
前述通り、人工的に雨粒を流し入れ、それをカメラでとらえることに成功した。

②運用結果

写真 2

筒内のカメラが捉えた雨粒に疑似した水滴の様子（矢印指す部分）

8なお、周囲の筒状のものは中の小さい塩ビパイプの出口部分であり、丸囲みの下方はネジの頭である。

以下に圧力センサーの値結果を示す
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1022
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1021

1015
1014
1023
1012
1023
1020
1023
1021
1023
1021
1023
1023
1014
1018
1019

1013
1019
1017
1009
1023
1022
1017
1023
1017
1023
1012
1013
1023
994
1023

1023
1015
1019
1009
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023

1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
102310231023
10231023
1023
1023
1023
102310231023
1023
1023
1023
1023
1023
1023

センサーに雨粒が落下したとき、センサーは「994」と示した。

③考察
以上のように、人工的に疑似した水滴をきちんととらえることができ、かつ目視で判別できるような写真をパソコンに出力ができた。雨の降る時も同様に作動することができると考えられる。

4. 今後の展望
1. 今回の研究で画像処理のプログラムについて開発した所（『機器の制御プログラム』項目にて詳述）、写真から直線を認識し、それを赤く描き出す技術を開発した。時間の関係上残念ながら雨粒に対し適応できなかったが、今後の開発で、雨粒の平面構造についてわかりやすい写真を提供できる見込みがある。それで雨の形状に関する9

研究が進むのではないだろうか。また平面にとどまらず、３Ｄ観測を行えば、立体構造に関する研究も進むのではないだろうか。

写真 3

新たに開発した写真から直線を描き出す技術の例

画面中赤い線は写真からプログラムが識別させた直線である。しかし、誤認があることや雨粒とほかの部分の区別がまだつかないなど改良や進歩の余地が大いにあり、雨に適用することが期待できる。
2.

機械が撮影した写真データを単純に処理すること以外、雨の降らない平常時の写真も撮影し、それとパソコンで比較する。そうすることで雨粒の分布も分析することができるのではないだろうか。

5. まとめ
今回はセンサーの制作や制御に多くの時間を要し、時間に追われるような形で締め切りを迎えてしまった。そのため、機械を仕上げる余地は大いに残されているように思う。
これからの展望としては、画像処理技術やセンサー技術の向上によってよりよいデータを提供することなどが挙げられる。
また、志半ばではあるが、ここまで画像処理技術を開発しセンサーと併せて実際に運用できたことを喜ばしく思う。

6. 参考文献
ネット資料
z opencv ホームページ http://opencv.jp/
z opencv のリファレンス http://opencv.jp/opencv-2svn/cpp/

7. 添付ファイル一覧＜プログラムソース＞
使用プログラミング.txt
＜画像＞

10

＜数値データ＞
以上

8. 謝辞今年も昨年度同様、本校科学研究部において、研究、作成活動を行った。クラブ活動で場所や機材を一部お借りすることができ、大変スムーズに進めた。御礼申しあげます。また班以外のメンバーにも本体制作を協力していただけ、感謝します。

9. 最後に
本研究は雨を観測し、雨についての変わった角度のデータを取得することを第一に目指し、それをユーザーに提供する目的を概ね達成できた。雨についての新しい見方を世間に広めることで気象全般に対する興味関心を改めて集めることができるだろうと期待している。今後も身近な気象現象に注意を向け、大自然をもっと知ろうと思っている所である。

// Main.cpp#include <iostream>#include<opencv2/core.hpp>#include <opencv2/opencv.hpp>#include<opencv2/highgui/highgui.hpp>#include<opencv2¥imgproc¥imgproc.hpp>#include<math.h>using namespace cv;
using namespace std;#include<fstream>
int main(int argc, char** argv){
double x, y, length;x = 1; y = 0;
Mat src, dst, color_dst;
if (argc != 2 || !(src = imread(argv[1], 0)).data)
return -1;
Canny(src, dst, 50, 200, 3);
cvtColor(dst, color_dst, CV_GRAY2BGR);
vector<Vec4i> lines;
HoughLinesP(dst, lines, 1, CV_PI / 180, 80, 30, 10);for (size_t i = 0; i < lines.size(); i++){line(color_dst, Point(lines[i][0], lines[i][1]),Point(lines[i][2], lines[i][3]), Scalar(0, 0, 255), 3, 8);
x = lines[i][0] - lines[i][2];y = lines[i][1] - lines[i][3];length = hypot(x, y);ofstream outputfile("test.txt");//パス名は変更可能
outputfile << length;
outputfile.close();
}

}

11

一般社団法人 WNI 気象文化創造センター

https://www.wxbunka.com/

観客賞
賞金 5 万円

テザードローンによる空中電位測定
徳島県立城南高等学校

2015 年第 4 回高校・高専気象観測機器コンテスト

No.４

1.

2.

3.
STATIRON
DZ4(Holy Stone Toy

STATIRON DZ4	 F182)

4.

5.	 

6.

6 8 9 50879 348 9 .3
2
1
1
1
1
116 8 9 50879 348 9 .3
2111111()

600
400
200
0
22.8

24.7

25.9

27224

274

28.2

30

22.8
2146V
4302V

32.3

17.6
2174V
4384V

84230V 41

801

一般社団法人 WNI 気象文化創造センター

https://www.wxbunka.com/

観客賞
賞金 5 万円

むしむし観察記
長崎県立長崎西高等学校

2015 年第 4 回高校・高専気象観測機器コンテスト

No.２６g
1uups

6b	 u

50l

5

ii