InSARの干渉条件

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1 東京大学地震研究所研究集会 新世代の干渉 東京大学地震研究所 2006( 平成 18) 年 10 月 5 日,6 日 InSAR の干渉条件 Conditions for SAR Interferometry 飛田幹男 ( 国土地理院地理地殻活動研究センター ) 島田政信 ( 宇宙航空研究開発機構地球観測研究センター ) 藤原みどり 雨貝知美 和田弘人 藤原智 松坂茂 ( 国土地理院 ) Mikio Tobita (Geographical Survey Institute, Japan), Masanobu Shimada (Japan Aerospace Exploration Agency) M. Fujiwara, T. Amagai, K. Wada, S. Fujiwara, S. Matsuzaka (GSI) tobita@gsi.go.jp 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

2 謝辞 JAXA,METIの高い技術力を誇りに思います ALOSの開発 運用に関わってこられた方々に敬意を表します だいち (ALOS) のデータは, 国土地理院とJAXA の 陸域観測技術衛星データによる地理情報の把握等に関する共同研究 に基づき,ALOSデータの校正 検証及び地上システムの調整 検証のため,JAXAが国土地理院に提供したものです 提供データの著作権はMETI, JAXAにあります

3 干渉 SAR の干渉条件 decorrelation γ = γ thermal γ temporal γ spatial γ thermal : システム固有の成分 γ temporal : テンポラルベースラインによる成分 γ spatial : 基線による成分 (spatial baseline decorrelation, geometrical decorrelation, phase slope)

4 correlation: 干渉性の尺度 γ = N N s s s N * 2 s 2 2 s 1, s 2 : データ 1,2 のシグナル N: ウインドウ内のピクセル数 注意 :Correlation Map は, 軌道縞を除去してから計算 作成

5 S/N 比 JERS-1 と PALSAR JERS-1 RAW データのレンジスペクトラム PALSAR RAW データのレンジスペクトラム 95 東京 信号強度 db dB 13dB 65 周波数

6 システム固有のコヒーレンス ひとつの計算評価方法 γ = γ thermal γ temporal γ spatial SNR γ = themal SNR +1 γ thermal ~ 0.83 (JERS-1) ~ 0.95 (PALSAR) 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

7 S/N 比のオフナディア角 場所依存性, 人工ノイズ 三浦半島 dB ムラピ dB 房総 34.3 関東 dB 11dB

8 スパイクノイズ JERS-1 東京 スパイクノイズ ( 人工ノイズ ) PALSAR 周波数 東京 スパイクノイズ除去後 周波数 スパイクノイズ除去後

9 Temporal Decorrelation 従来 :SEASAT や ERS-1 の研究を元に Temporal Decorrelation>Baseline Decorrelation LバンドのTemporal Decorrelationにつて : データが少なすぎた Zebker et al. (1992) : 40 日で半分の相関 ( 干渉度 ) としていた しかし, 阪神大震災の干渉図では 2 年 5 ヶ月でも干渉できた Tobita(1996): JERS-1 では,1.2~1.8 年で半分の相関 Nakagawa(2001): より厳密な研究で, 都市部で 1.9~3.6 年, 山地で 150 日で半分の相関 データの賞味期間が長いことがわかった 1992 年 9 月ー 1995 年 2 月

10 Baseline Decorrelation 干渉画像のコヒーレンス相関係数 (Correlation) Critical Baseline 臨界基線長は長いほど良い (Tobita, 1996) JERS 基線垂直成分 B (m) B B c = ρ λρ 2R tan res i i

11 Baseline Decorrelation 1.0 Critical Baseline B c = λρ 2R tan res i 相関係数 (Correlation) FBS ERS (Tobita, 1996) JERS B ρ ALOS 基線長垂直鉛直成分 B (m) i

12 Critical Baseline (1) Zebker & Villasenor (1992) Bc = λρ 2Ry cos (2) Zebker et al. (1994) Bc = Bc = λρ 2 i 2Ry cosi (3) Zebker et al. (1992) λρ tan i 2Rres いくつかの式があるがどれが本当? お薦めしません 1.θ と i を区別していない 2. 基線は水平 (B Bh, α=0) と仮定 B Bcos( α θ) = Bcosθ = Bcosi なので式 (2) と等しくなる Ry : Ground range resolution Rres = Ry sin i なので式 (3) と等しくなる お薦め! i : Incidence angle Rres : Range resolution (m) i Ry Rres B でなく B で議論入射角 i を使う (15%) Ry と Rres を混同しない (64%)

13 Critical Baseline の導出 地上 y(m) あたりの干渉位相差は, 4π 2 φ = y sinθ (rad) = y sinθ (cycle) λ λ 途中略 Zebker and Villasenor (1992), Gatelli et al. (1994), Hanssen (2001) より簡明 B A 2 A 1 ρ ysinθ inc1 dθ P θ inc1 θ inc2 P1 P2 dθ = θ Q inc2 ysinθ θ inc2 inc1 (< 0) 1 秒あたりのフリンジレートは, φ 2cB df FR = t λρ tanθ この後方散乱波周波数スペクトルのシフト周波数がレーダーバンド幅 B R と等しくなるともはや干渉しない よって, このときの垂直基線成分をB cと表すと, BRλρ tanθ λρ tanθ i : Incidence angle B c = = Rres c 2Rres =c/(2b R ): Range resolution (m) 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

14 Far 側 ( 衛星と反対側 ) 斜面のコヒーレンス ( 干渉性 ) が高いのはなぜか? Central Java Roughly flattened, geocoded PALSAR Interferogram 例 :Mt.: Sendara,, Java 2000m 3000m Topo of Mt. Sendara PALSAR FBS HH Apr 29, 2006 Jun 14, 2006 Offnadir: 34.3º Incidence θ : 38.7º B = -1,629m Height/cycle=35m( 標高 2,900m で地形縞 83 本 ) # of orbital fringe: 880 本 ALOS

15 地形がある場合 臨界基線の式, B c = B R λρ tanθ λρ tanθ = c 2Rres θ を θ ζ に置き換えればよいので, θ : 入射角 ζ : 傾斜角 B c = B R λρ tan( θ ζ ) c = λρ tan( θ ζ ) 2Rres 衛星側 (Near 側 ) 斜面の場合 B c 小 Low coherence 衛星と反対側 (Far 側 ) 斜面の場合 B c 大 High coherence θ ζ >0 ζ <0 θ 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

16 Far 側斜面のコヒーレンスは高い 例 :Mt.: Sendara,, Java B = -1,629m 初期干渉画像 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006 ALOS 地形考慮のフリンジレート 地形考慮の臨界基線 B c = λρ tan( θ ζ ) 2Rres Far Flat Near Slope ζ -30º 0º +30º Fringe rate Lower - Higher B c (m) 24,000 15,000 1,400 Coherence Topo of Mt. Sendara φ 2cB FR = t λρ tan( θ ζ ) High High No θ =38.7º ALOS -30 Slope of Mt. Sendara Flattened, Geocoded +30

17 Far 側斜面はいつでもフリンジレートが低い B の符号によって, 軌道縞と地形縞の符号が同時に変わるので,Far 側斜面はいつでもフリンジレートが低い 利島 Mt. Sendara, Java 初期干渉画像 ALOS ALOS 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

18 地殻変動の勾配 (gradient) の臨界値 (Critical Gradient of Displacement) 新しい導出 Tobita, 2006 地殻変動 Δρ がレンジ方向に, Δρ λ φ = (m/m) ρ 2 ρ の勾配をもっているとき, 後方散乱波の周波数スペクトルのシフト量は, φ c φ df FR = (cycle/s = Hz) t 2 ρ これが, レーダーバンド幅 B R (=c/(2rres)) と等しくなると干渉しない よって, φ ρ c = 2 c 2 c Rres = 1 Rres (cycle/m) これは, レンジ分解能距離あたり 1 サイクルの位相回転を超えると干渉しなくなる という 地殻変動の勾配の臨界値 を意味する Δρ ρ c = λ 1 2 Rres (m/m) 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

19 地殻変動の勾配 (gradient) の臨界値なぜ, 変動の大きい上盤側のほとんどが干渉しないのか? (InSAR でない )SAR 画像のマッチングで求めた三次元地殻変動場

20 地殻変動の勾配 (gradient) の臨界値 (Critical Gradient of Displacement) 新しい式 Tobita, 2006 Δρ ρ c = λ 1 2 Rres (m/m) 地殻変動勾配臨界値 (mm/m) ALOS ALOS ERS-1 Envisat Radarsat JERS-1 FBD FBS 一般に, 震源の浅い地震に伴う地殻変動は大きな地殻変動勾配を持つ また, 大きな地殻変動は大きな地殻変動勾配を持つ これらは, 被害の大きな地震である PALSAR FBS は, これら被害の大きな地震に伴う地殻変動のほぼ全体をとらえることができる FBD では, この利点が半減してしまうため, 観測計画には工夫が必要である この議論には, 基線長は関係ない 基線長が短くても関係ない 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

21 オフナディア角による干渉条件 後方散乱強度の点ではオフナディア角は小さい方がよい 入射角が小さい方が後方散乱強度が強く,S/N 比が大きい 位相傾斜 ( 臨界基線長 ) の点ではオフナディア角は大きい方がよい 同一の垂直基線長では, 臨界基線長が長い方が, コヒーレンスが高い 相関係数 º 21.5º 34.3º 垂直基線成分 (m)

22 干渉条件のまとめ B が大きくなり地表を見る角度差が大きくなると, フリンジレートが大きくなり, これが, レーダーバンド幅と等しくなると, 後方散乱波の周波数スペクトルが重ならなくなり, 干渉がなくなる 臨界基線 B c は 軌道縞間隔がレンジ解像度長と等しい という条件と等価 Far 側斜面はコヒーレンスが高い Near 側 20 以上の傾斜地は 地殻変動の勾配臨界値は,PALSAR FBS は ERS の 7 倍 FBS(28MHz) は FBD(14MHz) と比べて, レーダーバンド幅 2 倍, レンジ解像度が 1/2,B c が 2 倍で有利 地殻変動観測でも 2 倍有利 オフナディア角が小さい程後方散乱が大きい一方, オフナディア角が大きい程臨界基線は大きい JERS-1 の干渉確率 20% の法則 ALOS では 80% 以上? 引用 : 飛田他,InSAR の干渉条件, 東大震研研究集会,2006

23 PALSAR の干渉処理 場所 取得日 ムラピ 伊豆東部大島 房総半島 A D オフナディア角 B (m) B (m) 残軌道縞本数 コヒーレンス都市部 森林急傾斜地 D ,629 2, 本 A ,081 1,969 4 本 A 本 軌道情報精度が格段に良くなったことで, 対象画像の選択, 干渉ペア画像間の画素位置合わせ, シミュレーション干渉画像との位置合わせ, 軌道縞 地形縞の除去が, 容易に 自動的に 迅速にできるようになった 干渉ペアの画像間で PRF( パルス繰返し周波数 ) が異なる場合のリサンプリング処理に新たに時間を費やすとともに, 巨大なファイルサイズが原因で予想以上に処理時間を要する

24 位置精度の向上 1. マスター, スレーブ画像の位置が近くなった 鵜渡根島 SLC 画像 ( 赤がマスター ) レンジオフセット :-352pix アジマスオフセット :26pix 2.Simulation 画像がマスター画像とピタリと合うようになった 伊豆大島 4x8ルック画像 ( 赤がマスター, 水色がSimulation) レンジオフセット :0pix アジマスオフセット :0pix

25 残軌道縞 地形縞 ALOS 高精度軌道情報 を使って, 軌道縞と地形縞を除去した画像に残っている軌道縞 本数は 1 シーン内の数 16 本 (2 シーン連結 ) 4 本 (2 シーン連結 ) 残軌道縞の原因は, 軌道情報精度だけによらず, 処理法の近似やドップラの推定誤差など, 色々な要素があり得る これら要素の研究も課題である 2 本 (3 シーン連結 )

26 ALOS での干渉処理 1 JERS-1 での残軌道縞 ΔB = 100m ΔB//(bottom) = 1m 残位相 : 横 66 サイクル縦 8.5 サイクル ΔB 2 ΔB Δ φ = dθ (rad) サイクル λ 基線値誤差 1m のときの残軌道縞 リーダファイルの軌道情報を使った軌道縞の除去 フルシーン JERS-1 での残軌道縞 ΔB = 100m ΔB//(bottom) = 0m Azimuth Range ALOS での残軌道縞 ΔB = 1m 残位相 :66: サイクル 残位相 : 約 0.54 サイクル D: tobi 講演会 2001L バンド干渉 SAR の重要性 images Bperp100m.gif, Bperp100mBpara1matbottom.gif, Bperp1m.gif SKK #3 pp27-27 ΔB ΔB// によらない ( 比例したりしない )

27 ALOS での干渉処理 4 一定でない ΔB// 誤差最大の場合 基線値変化誤差 1m のときの残軌道縞 リーダファイルの軌道情報を使った軌道縞の除去 フルシーン 2 ( B // Bottom B // Top ) Δ φ = Δ Δ サイクル λ ΔB//(Top) = 0m ΔB//(Bot) = 1m 残位相 :8.5: サイクル D: tobi 講演会 2001L バンド干渉 SAR の重要性 images Bpara1matbottom.gif SKK #3 pp27-27 ΔB ΔB// によらない ( 比例したりしない )

28 ALOS での干渉処理 5 ΔB ΔB に起因して残る地形縞の高度依存性 残る地形縞 (fringe cycle) JERS-1 ALOS 地形の楕円体高 (m) ΔB 100 (m) 1 (m) 0.06 サイクル : 変動 7mm 相当 2 ΔB h Δ φ = λρ sin i0 基線値誤差 1m のときの残地形縞 リーダファイルの軌道情報を使った地形縞の除去 フルシーン 安達太良山残位相 8.6 度 JERS-1 での残地形縞 ΔB = 100m 標高 500~1900m の磐梯山周辺 ALOS での残地形縞 ΔB = 1m 残位相 : 約 3サイクル D: tobi 講演会 2001L バンド干渉 SAR の重要性 images TopoPhase.100mdBperp.gif, TopoPhase.1mdBperp.gif 残位相 : 約 サイクル SKK #3 pp28 ΔB ΔB// によらない ( 比例したりしない )

29 まとめ コヒーレンス, 位置精度, 軌道制御精度, 軌道情報精度等, 多くのすぐれた点を持つ PALSAR は, 予想どおり, 予想以上の性能を持っていることが確認されつつある 注意点従来ではあきらめていた長い垂直基線でもコヒーレンスが得られるようになって, 従来無視できた DEM の誤差, ジオイド高や樹高が干渉結果に影響するケースがあるので, 注意が必要である

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