Beyond Data Scarcity: A Physics-Integrated Landslide Prediction for Urban Disaster Resilience

Keywords

土砂災害予測物理モデル統合学習タンクモデル特徴量拡張都市防災

Ren Ozeki , Hamada Rizk , Hirozumi Yamaguchi

2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), URBSENSE 2026, pp. 1094–1099

Abstract

Global climate change has increased the frequency and intensity of extreme rainfall events, causing landslides even in regions with little or no historical disaster records. Accurately predicting such events in urban environments requires integrating heterogeneous environmental data within a system-level co-design framework. However, two key challenges hinder reliable prediction: (i) limited observability due to scarce disaster records and the difficulty of measuring essential physical variables such as subsurface hydrology, and (ii) strong regional heterogeneity, where disaster data exhibit inherently non-IID characteristics across regions. Traditional physics-based models often rely on simplified assumptions because observable variables are limited, whereas deep learning models tend to overfit under scarce and imbalanced data. To address these issues, this study proposes a physics-integrated deep learning system that combines a three-layer tank model as a physics-based model with a data-driven deep learning model. The physics-based outputs are incorporated both as input features and through a skip-connection that adaptively controls their contribution under abnormal rainfall conditions. In addition, Stochastic Feature Augmentation is employed to improve robustness against regional data distribution shifts. Experiments conducted across 19 regions in Japan demonstrate that the proposed system achieves improved generalization and superior PR-AUC in even unseen regions compared with state-of-the-art methods.

気候変動に伴う豪雨の頻発化により、過去に記録がない地域でも土砂災害が発生するようになっており、都市環境において高精度な事前予測への要請が強まっています。しかし正確な土砂災害予測には二つの根本的な難しさがあります。一つは観測可能性の限界――地中の水分量や地盤の力学特性など、崩壊に直結する物理量の多くを広域で測定できないこと。もう一つは、降雨や地形、植生、都市構造の地域差により、災害データが強く非IIDな分布を持つことです。

本研究では、この二つの壁を越えるための物理モデル統合型深層学習システムを提案します。三層タンクモデルを物理モデルとして組み込み、その出力を入力特徴として与えると同時に、スキップ接続により異常降雨時の寄与を適応的に制御します。さらに学習時には Stochastic Feature Augmentation を適用し、地域間の分布シフトに対するロバスト性を高めます。

日本国内19地域での評価では、提案システムが学習時に見ていない未知地域に対しても、従来手法を上回るPR-AUCと汎化性能を実現しました。データが乏しく偏りのある災害予測タスクにおいて、物理知識と深層学習を連携させる方向性の有効性を実証しています。

都市防災への応用を見据え、分散学習や気象・地盤観測インフラとの連携を含めた展開を進めています。

災害時LoRaネットワークのための環境認識型分散スケジューリング

Yuto Inaba, Tatsuya Amano, Akihito Hiromori, Hirozumi Yamaguchi

2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), SPT-IoT 2026, pp. 1366–1371

災害通信LoRa +4

災害現場画像要約のための軽量Vision-Language Model

Hibiki Yoshizaki, Akira Uchiyama, Akihito Hiromori, Mineo Takai, Hirozumi Yamaguchi

2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), PerconAI 2026, pp. 1203–1208

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レイトレーシング駆動型ISACレーダによるパターンベース車両認識

Heetae Jin, Akira Uchiyama

2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), PerRad 2026, pp. 328–333

ISACBeyond 5G +4

超大規模衛星群の精密編隊飛行に向けたシミュレーションフレームワーク

Tatsuya Amano, Akihito Hiromori, Hirozumi Yamaguchi, Sumio Morioka

2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), PerVehicle , pp. 230–235

衛星編隊飛行分散シミュレーション +4

鉄道駅プラットフォームにおけるデジタルツインを用いた群衆流モデリング

Yu Yasuda, Tatsuya Amano and Hirozumi Yamaguchi

IEEE International Conference on Smart Computing (SMARTCOMP), pp. 82-89

DOI 10.1109/SMARTCOMP65954.2025.00069

デジタルツイン群衆シミュレーション +1

移動ログにおける時空間・自然言語データの効率的な機械学習消去

Haruki Yonekura, Ren Ozeki, Tatsuya Amano, Hamada Rizk, Hirozumi Yamaguchi

In Proceedings of the 33rd ACM International Conference on Advances in Geographic Information Systems (SIGSPATIAL '25). pp. 1186–1189.

DOI 10.1145/3748636.3763226

機械学習消去プライバシー +1