土木学会論文集 F3( 土木情報学 Vol. ), 73, No. 1, 1-14, ALOS/PALSAR データを用いた時系列干渉 SAR 解析による 5 基のロックフィルダムの外部変形計測佐藤弘行 1 佐々木隆 2 金銅将史 3 小堀俊秀 4 小野寺葵 5 山口嘉一 6 佐藤渉

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ありさたもん
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1 ALOS/PALSAR データを用いた時系列干渉 SAR 解析による 5 基のロックフィルダムの外部変形計測佐藤弘行 1 佐々木隆 2 金銅将史 3 小堀俊秀 4 小野寺葵 5 山口嘉一 6 佐藤渉 7 虫明成生 8 本田謙一 9 1 正会員国土交通省国土技術政策総合研究所 ( 茨城県つくば市旭 1 番地 ) satou-h92ta@mlit.go.jp 2 正会員国土交通省国土技術政策総合研究所 ( 茨城県つくば市旭 1 番地 ) sasaki-t92ta@mlit.go.jp 3 正会員国土交通省国土技術政策総合研究所 ( 茨城県つくば市旭 1 番地 ) kondou-m2cf@mlit.go.jp 4 正会員国土交通省国土技術政策総合研究所 ( 茨城県つくば市旭 1 番地 ) kobori-t92ta@mlit.go.jp 5 国土交通省国土技術政策総合研究所 ( 茨城県つくば市旭 1 番地 ) onodera-a82ad@mlit.go.jp 6 正会員国立研究開発法人土木研究所 ( 茨城県つくば市南原 1-6) y-yamaguchi@pwri.go.jp 7 正会員国際航業株式会社 ( 東京都千代田区六番町 2 番地 ) wataru_sato@kk-grp.jp 8 正会員国際航業株式会社 ( 東京都千代田区六番町 2 番地 ) naruo_mushiake@kk-grp.jp 9 正会員国際航業株式会社 ( 東京都千代田区六番町 2 番地 ) kenichi_honda@kk-grp.jp 本論文では, ダム等の長寿命化に資する効果的効率的な変位モニタリング手法の開発を目的として, 陸域観測技術衛星だいちに搭載された L バンド合成開口レーダ PALSAR の 1 シーンに含まれる 5 基のロックフィルダムを対象に, 北行南行軌道各 14 シーンを用いた時系列干渉 SAR 解析を行い, 約 4 年間の堤体の外部変形量を計測した. 既存の GPS 測量の計測点において, 時系列干渉 SAR 解析と GPS 測量による外部変形量を比較したところ, 時系列干渉 SAR 解析による外部変形量は GPS 測量の結果と良好に一致し, 二乗平均平方根誤差 (RMSE) の平均は約 5mm となった. また, ダム堤体斜面に対する衛星視線方向の角度や入射角の観測条件が外部変形量の計測誤差あるいは計測誤差のばらつきに及ぼす影響を明らかにした. Key Words : dam, SAR, monitoring, external deformation, maintenance 1. はじめにインフラの老朽化とその対策が社会的に大きな関心となっている. 国土交通省所管ダムにおいては, これまでも巡視や各種計測による日常的な安全管理や第三者による定期検査等を組み合わせた安全管理を行って来ているが, 建設から約年経過したダムを対象に総合点検 1) を 13 年から制度化して実施するなど, ダムの長寿命化を支える施策を推進している. また,11 年の東日本大震災をはじめとする大規模災害が頻発しており, インフラの維持管理に関する予算人員が削減される中, インフラの老朽化や頻発する災害に対応可能な効果的で効率的なインフラのモニタリング手法が求められている. 衛星 SAR(Synthetic Aperture Radar, 合成開口レーダ ) 1

2 は, 地震による地殻変動の把握など, これまで主に比較的広域な災害時のモニタリング技術として大きな成果をあげている. 衛星 SARにより観測される領域は数十 km 四方と非常に広域であるうえ, 近年解像度や変位解析手法が向上しており, 衛星 SARデータの1シーンに含まれる複数のインフラの変位計測が効率的に実施できる可能性がある. 本論文では,06 年 1 月に打ち上げられ11 年 5 月に運用を終了した陸域観測技術衛星だいち (ALOS) に搭載されていたLバンドSAR( 以下, ALOS/PALSAR という.) により得られたデータを用いて, ALOS/PALSARの1シーンに含まれる5 基のロックフィルダムを対象に, 時系列干渉 SAR 解析により約 4 年間にわたりダムの外部変形量を計測し, 衛星 SARにより得られた外部変形量と, ロックフィルダムの安全管理のための計測として実施されているGPSまたは光波測量により得られた外部変形量を比較した. また, ダム堤体斜面に対する衛星視線方向の角度および入射角が外部変形量の計測誤差に及ぼす影響を検討した. 2. 構造物を対象とした衛星 SAR による変位計測の研究事例衛星 SARによる観測データは, 地震や火山活動による地殻変動, 地すべりなど, 災害による地盤変動の監視把握において大きな成果をあげており, 多くの論文等が公表されている. そのため本論文では, 構造物を対象とした衛星 SARによる変位変形計測事例について既往の研究を概観する. Wang ら 2) は, 堤高 185m の重力式コンクリートダムである三峡ダムを対象に,Cバンド衛星 SAR Envisat により03 年から08 年までに取得された40データを用いてダムの変位を計測し, 水位や季節によるダムの定性的な変位傾向をとらえることができることを確認している. Grazanicら 3) は, ノルウェーにある堤高 26mのロックフィルダムであるRihpojavriダムを対象に,Xバンド衛星 SAR TerraSAR-X により09 年から13 年に取得されたデータを用いてダムと周辺地盤の変位を計測し, ダムにおいて得られた結果を4 点の測量データと比較し, 定性的に比較的良好な結果が得られることを確認している. なお, 定量的な評価は記載されておらず, 周辺地盤において得られた変位の結果についての分析は記載されていない.Hanssen 4) は, オランダの海岸堤防やアメリカのフィルダムを対象に衛星 SARによる変位モニタリングの検討を行っており,GISにより地図上に衛星 SARによる変位モニタリング結果をマッピングすることにより視覚的にわかりやすい計測結果を示している. 佐藤ら 5) は,06 年に盛立が完了した沖縄県にある堤高 66mのロックフィルダムを対象に,06 年末から11 年初頭の約 4 年間のL バンド衛星 SAR だいちの北行南行軌道の各 14データを用いて堤体の外部変形量を計測したうえで22 点の GPS 計測データと比較し, 約 1cmの誤差で堤体の外部変形を計測可能なことを示している. ポルトガル北部のDuoro 川にかかっていた1887 年に供用が開始されたHintze Ribeiro 橋が01 年 3 月に崩落し59 人が死亡した 6). 崩落の原因は橋の老朽化と橋脚周辺の洗掘と推定されている.Sousa and Bastos 6) は, この橋を対象に,1995 年 5 月から崩落前までの約 6 年間にわたり,Cバンド衛星 SAR ERS-1 と ERS-2 により取得された52 データを用いて, 橋が崩落するまでの橋と周辺地盤の変位を計測している. その結果, 崩壊流出した橋脚の変位が最大で年間 mm 程度の直線的な変位となっていたことを明らかにしている.Lazecky ら 7) は, チェコ Ostava 市に08 年開通した高架橋による高速道路とその周辺地盤を対象に,Cバンド衛星 SAR Envisat により 08 年から年までに取得された11データ, およびX バンド衛星 SAR TerraSAR-X により11 年に取得された5データを用いて変位を計測した. 対象とした高速道路周辺には1991 年に閉山した石炭鉱山跡があり, その周辺にある高速道路と周辺地盤の変位が大きいことが衛星 SARデータを用いた変位モニタリングにより確認されている. 以上のように, ダム, 河川海岸堤防, 橋梁, 道路盛土, 空港, トンネル掘削による地盤変位などを対象として, 衛星 SARのデータを用いて変位を計測した研究事例が報告されている. 衛星 SARによるインフラの変位モニタリングは研究段階であり, インフラの維持管理や安全管理にはまだ用いられていないが, 本論文で紹介した既往の研究事例から, 対象とするインフラによっては, 衛星 SARによる変位モニタリングへの適用可能性は高いと考えられる. 衛星 SARデータに含まれる複数構造物の変位モニタリングが実施できれば, 以下に示すように構造物の維持管理や安全管理に役立つことが期待される. 既に測量やGPS 等により変位計測を実施している構造物については, 複数の構造物の変位を一括して衛星 SARにより計測することで, 計測にかかるコスト削減が期待できる. また, 測量や GPSは点の計測であり, 計測点数を増やすことには経済的物理的な制約があるが, 衛星 SARは数 m 程度の高い空間解像度により構造物の表面全体について面的に変位を計測することが可能であることから, 測量あるいはGPSによる変位計測が実施されていない箇所についても微小な変状の兆候等の維持管理や安全管理に役立つ情報を得ることが可能になる. 2

測量やGPS 等により変位計測を実施していない構造物については, 衛星 SARにより地上のセンサを設置することなく構造物の面的な変位計測が可能となる. 特に途上国のダムにおいては測量等によるダムの変位計測を実施していない場合もあり, 衛星 SARにより日本にいながら海外のダムの変位計測が可能となる.

衛星 SARの1 シーンに含まれる多くの構造物を変位計測の対象とすることにより, 前述のように, 既に測量 GPSにより変位計測を実施している構造物については変位計測にかかるコストや人員を削減することが可能になるとともに, 現状では測量 GPSによる変位計測を実施していない構造物についても変位計測が実施可能となる.

なお, 後述のように日本のダムは変位計測が義務づけられており多くのダムで測量等により変位計測が実施されているため, ダムは衛星 SARによる構造物の変位計測の適用性を検証する対象として適していると考えられる. 8) 図 -1 衛星 SARと斜面の幾何学特性図 -2 大保脇ダムの堤体表面状況 ( 上 : 上流側, 下 : 下流側 ) 3.

3 測量やGPS 等により変位計測を実施していない構造物については, 衛星 SARにより地上のセンサを設置することなく構造物の面的な変位計測が可能となる. 特に途上国のダムにおいては測量等によるダムの変位計測を実施していない場合もあり, 衛星 SARにより日本にいながら海外のダムの変位計測が可能となる. また, 既往研究の多くは1つの構造物を対象にしている場合が多く, 本論文のように衛星 SARの1 シーンに含まれる5ダムを対象とした事例はほとんどない. 衛星 SARの1 シーンに含まれる多くの構造物を変位計測の対象とすることにより, 前述のように, 既に測量 GPSにより変位計測を実施している構造物については変位計測にかかるコストや人員を削減することが可能になるとともに, 現状では測量 GPSによる変位計測を実施していない構造物についても変位計測が実施可能となる. このように衛星 SARデータの1シーンに含まれる複数の構造物の変位計測を維持管理に活用するためには, 衛星 SARによる構造物の変位の計測精度を検証したり, 衛星 SARからのレーダの照射方向と構造物の表面の角度が変位の計測精度に及ぼす影響を明らかにする必要がある. なお, 後述のように日本のダムは変位計測が義務づけられており多くのダムで測量等により変位計測が実施されているため, ダムは衛星 SARによる構造物の変位計測の適用性を検証する対象として適していると考えられる. 8) 図 -1 衛星 SARと斜面の幾何学特性図 -2 大保脇ダムの堤体表面状況 ( 上 : 上流側, 下 : 下流側 ) 3. 検討対象ダムと使用した衛星 SARデータダムは築造される材料により, コンクリートで築造されるコンクリートダムと, 岩石や土質材料で築造されるフィルダムの大きく二種類に分類される. コンクリートの強度は大きいためコンクリートダムの上流面の勾配はほぼ鉛直の場合が多く, 下流面の勾配も50 程度と急勾配である場合が多い. 勾配が急な斜面を対象に衛星 SAR のデータから干渉 SARを実施した場合には, 図 -1に示すような, レイオーバー, レーダシャドウ, フォアショートニングという現象 8) が発生するため, 上下流面の勾配が急なコンクリートダムの変位を干渉 SARにより計測できないあるいは精度良く計測することは困難と考えられる. 一方, 岩石や土質材料で築造されるロックフィルダムの上下流面の勾配は ~ 程度であり干渉 SARによる変位計測が可能であると考えられることから, 本論文ではロックフィルダムを対象とした. なお, ロックフィルダムの表面には最大粒径約 1mのリップラップと呼ばれる岩石材料を敷き詰めることにより, 降雨等の気象や貯水の波浪による浸食や風化を防止することが一般的である. 図 -2に検討対象ダムの1つである大保脇ダムの上下流面の状況を示す. リップラップの植生は定期的に伐採されるため, ロックフィルダムの堤体の表面には植生が少ない状態である場合が多い. これまでの著者らの研究 5) からロックフィルダムの表面のリップラップによる衛星 SARからのレーダの反射は良好であることを確認しており, ロックフィルダムは衛星 SARからのレーダの反射に適した表面状態であると考えられる. 河川法の下に定められた構造基準である河川管理施設等構造令 9) においては, 堤高 50m 未満の重力式コンクリートダム以外のダムでは安全管理を目的として変位を計測することが義務付けられている. 河川管理施設等構造令においては具体的な変位の計測方法等は規定されていないが, ロックフィルダムについては, 堤体に比較的数多くの可動標的を設置し, 堤体外の岩盤等に設置した基準点からの変位を測量により計測している場合が多い. 近年ではGPSにより変位を計測しているダムも増えている ). このように, ロックフィルダムは衛星 SARにより計測した外部変形量と比較検証が可能な測量やGPSデータが多いため, 本論文では, 衛星 SARにより計測した対象ロックフィルダムの外部変形量と, 測量やGPSにより計測された外部変形量を比較することにより, 衛星 SARによるロックフィルダムの外部変形量の計測精度を検証した. 3

(1) 検討対象ダム前述のとおり, 本論文では, 上下流面の勾配が急なコンクリートダムは検討対象からは除外し, 比較的上下流面勾配が緩やかで衛星 SARからのレーダの反射が良好と期待できるロックフィルダムを検討対象とした. 検討対象ダムは, 沖縄本島北東部にある5 基のロックフィルダムとした.5 基のロックフィルダムの主な諸元を表 -1に, 位置を図 -3に示す.

4 (1) 検討対象ダム前述のとおり, 本論文では, 上下流面の勾配が急なコンクリートダムは検討対象からは除外し, 比較的上下流面勾配が緩やかで衛星 SARからのレーダの反射が良好と期待できるロックフィルダムを検討対象とした. 検討対象ダムは, 沖縄本島北東部にある5 基のロックフィルダムとした.5 基のロックフィルダムの主な諸元を表 -1に, 位置を図 -3に示す. なお, 辺野喜ダムは重力式コンクリートダムとロックフィルダムの複合ダムであるが, 表 -1にはロックフィルダム部の諸元を記載している. 表 -1では大保脇ダムの竣工年は年となっているが, 堤体の盛立が終了したのは06 年 12 月であり, その後 08 年 3 月に天端の舗装工事が行われている. 既往検討 5) では天端の舗装工事期間も含めて検討対象期間としており, 天端の舗装の有無に関わらず衛星 SARによりダムの外部変形量を計測することは可能であるが, 舗装厚を面的かつ高精度に把握することは困難であり変位の計測精度を評価する対象期間としては適切ではないことから, 本論文では天端の舗装工事以降を対象期間とした. また, 福地ダムの竣工年は1974 年であるが,1978 年から cmの堤体の嵩上げや洪水吐取水設備の再開発工事が行われ1990 年に竣工している. (2) 使用した衛星 SARデータ本論文では, 比較的安価に入手可能で, 比較的対象ダムの撮影シーン数が多いALOS/PALSARデータを使用し表 -1 対象ダムの主な諸元ダム名大保脇ダム羽地ダム漢那脇ダム辺野喜ダム福地ダム堤高 (m) 堤頂長 (m) 竣工年上流面勾配 1:3.0 1:2.7 1:3.1 1:2.5 1:2. ( 括弧は ) (18.4) (.3) (17.9) (21.8) (24.0) 下流面勾配 1:2.7 1:2.2 1: :2.0 ( 括弧は ) (.3) (24.4) (.5) (26.6) (26.6) た.ALOS/PALSARの空間解像度は約 m, 波長はLバンドの23.6cm, オフナディア角は34.3 である. 本論文で使用した北行軌道と南行軌道のシーンと対象ダムの位置を図 -4に示す. 本論文では北行軌道と南行軌道の各 14シーンのデータを使用したが, 各シーンの撮影日と, 干渉ペアの基線長を表 -2に示す. 4. 時系列干渉 SAR 解析によるダムの外部変形計測上述した5 基のロックフィルダムを対象として, 北行軌道と南行軌道の各 14シーンのALOS/PALSARデータを用いて, 時系列干渉 SAR 解析 11) によりダムの外部変形計測を行った. 地形縞を除去するために必要なDEM (Digital Elevation Model, デジタル標高データ ) には, 対象ダムにおいて07 年から08 年にかけて撮影された航空レーザ測量により得られたデータ ( 空間分解能 2m 程度 ) を使用した. なお, 本論文の事前検討においては,SBAS 法 12) を用いて観測ペアの基線長や観測時間間隔が外部変形量の精度に及ぼす影響の検討を行ったが, 北行軌道と南行軌道のデータ数が各 14シーンとSBAS 法を適用するためのシーン数としては多くはないため,SBAS 法により基線長や観測時間間隔が外部変形の計測精度に及ぼす影響を明確には確認することができなかった. そのため, 本論文では,SBAS 法は適用せず, 北行軌道と南行軌道の各 14 シーンの全観測データを用いた時系列干渉 SAR 解析の結果を示す. また, 本論文では, マルチルックは3 ルック ( アジマス方向 3ピクセルレンジ方向 1ピクセル ) とし, 航空レーザ測量により得られた空間解像度 2mのDEMを使用し, ノイズフィルタとしてGold Stein Filter 13) ( 処理窓の大きさ32 32ピクセル ) を使用し, アンラップ手法としてはMinimum Cost Flow 法 14) を用いた. 羽地ダム大保脇ダム辺野喜ダム漢那脇ダム福地ダム図 -3 検討対象ダムの位置とダムの航空写真 4

図 -4 ALOS/PALSAR の観測領域と 5 基のダムの位置 ( 左 : 北行軌道, 右 : 南行軌道 ) スレーブ表 -2 ALOS/PALSAR の観測日と干渉ペアの基線長 ( 上 : 北行軌道, 下 : 南行軌道 )( 単位 :m) マスタ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 0 06 年 12 月 6 日 1 07 年月 24 日 -643 2 07 年

8 09 年月 29 日 400 926 02 1292 2407-377 -1289-84 9 09 年 12 月 14 日 3 785 861 11 2266-517 -1431-1226 -143 年 1 月 29 日 -479 173 5 544 1655-11 -39-1835 -754-613 11 年 8 月 1 日 -22-385 -0-18 -1675-90 -2385-13

5 図 -4 ALOS/PALSAR の観測領域と 5 基のダムの位置 ( 左 : 北行軌道, 右 : 南行軌道 ) スレーブ表 -2 ALOS/PALSAR の観測日と干渉ペアの基線長 ( 上 : 北行軌道, 下 : 南行軌道 )( 単位 :m) マスタ年 12 月 6 日 1 07 年月 24 日年 12 月 9 日年 1 月 24 日年 4 月日年 7 月 26 日年 12 月 11 日年 1 月 26 日年月 29 日年 12 月 14 日年 1 月 29 日年 8 月 1 日年 11 月 1 日年 12 月 17 日スレーブマスタ年 1 月 12 日 1 07 年 4 月 14 日年 8 月日年月日年 11 月日年 1 月日年 4 月 16 日年 6 月 1 日年 9 月 1 日年 1 月 17 日年 4 月 19 日年 9 月 4 日年 1 月日年 1 月 23 日検討対象の5 ダムの中で, 最近竣工した大保脇ダムと, 最も古い1974 年に竣工した福地ダムの, 時系列干渉 SAR 解析により得られた南行軌道の干渉画像を図 -5と図 -6にそれぞれ示す. 図 -5と図 -6の赤い線は堤体と周辺岩盤との境界あるいは天端舗装の範囲を示している. なお, 図 -5と図 -6においては, 時系列干渉 SAR 解析から得られた衛星からの視線方向の位相差に観測波長を乗じて変位量に変換して図示しており, 最初のSARの観測日の変位をゼロとして表示している. なお, 前述のとおり, 大保脇ダムにおいては08 年 3 月に天端の舗装工事が行われているため, 図 -5にはそれ以降の結果を示している. 図 -5の大保脇ダムの干渉画像を見ると, 時間が経過するにつれて青から水色さらには黄色に色が変化しており, 衛星から遠ざかる方向の変位, つまり堤体の沈下が再現されている. 図 -6の福地ダムの干渉画像を見ると, 時間が経過してもほぼ青色で変化がなく, 衛星から遠ざかる方向の変位がほとんどない, つまり観測期間内では堤体がほとんど沈下していない様子が再現されている. 対象 5ダムの中で最近竣工 ( 年 ) した比較的堤体の沈下量の大きい大保脇ダムの干渉画像 ( 図 -5) および最も古い1974 年に竣工し現在の外部変形量が小さいと考えられる福地ダムの干渉画像 ( 図 -6) から, 本論文における衛星 SAR の観測条件 (L バンド, オフナディア角 (34.3 ), 観測日の間隔 ) およびダムの観測条件 ( ダム表面の反射のよい岩石, 表面に植生がほとんどない状態, 斜面勾配の角度, 最大数 cm/ 年程度の沈下量 ) においては, 良好な干渉画像が得られものと考えられる. 図 -7と図 -8に, 大保脇ダムと福地ダムの測量 GPS 計 5

6 G G22 G14 G7 G21 G13 G6 G G12 G5 G19 G11 G4 G18 G G3 G17 G9 G16 G2 G8 G1 08 年 4 月 16 日 08 年 6 月 1 日 08 年 9 月 1 日 09 年 1 月 17 日 09 年 4 月 19 日 09 年 9 月 4 日年 1 月日 (cm) 衛星視線方法の変位量.+ は衛星から遠ざかる方向の変位. 11 年 1 月 23 日図 -5 大保脇ダムの時系列干渉 SAR による干渉画像 ( 南行軌道 ) 測点における, 図 -5と図 -6で示した時系列干渉 SAR 解析による外部変形量と, 測量 GPSによる外部変形量の比較図を示す. なお, 大保脇ダムでは堤体表面の22 点においてGPSにより外部変形量が計測されており, 図 -7においては, 図 -5のSARの最初の観測日である08 年 4 月 16 日のSARと GPSの変形量をゼロとしている. 福地ダムでは堤体表面の16 点において光波測量により外部変形量が計測されており, そのうち4 点ではGPSを併用して計測が行われている. 図 -8においては,SARの最初の観測日である07 年 1 月 12 日のSARと光波測量の変形量をゼロとしている. なお, 福地ダムでは08 年 3 月 18 日からGPSによる計測も実施されているが,GPS 計測開始日における光波測量による変形量をもとにしてGPSの変形量の補正が行われている. 図 -7の大保脇ダムの比較図を見ると, 一部の計測点においてSARと GPSの計測結果に最大 mm 程度の誤差が生じているが, 多くの計測点ではSARとGPSの外部変形量はほぼ一致しており, 盛立後の沈下が良好に計測されている. なお, 一部の計測点で誤差が大きくなっている要因あるいは誤差低減については今後の課題としたい. 図 -8の福地ダムの比較図を見ると, 大保脇ダムと同様に一部の計測点においてSARとGPS 測量の計測結果に最大 mm 程度の誤差が生じているが, 多くの計測点ではSARと GPS 測量の外部変形量はほぼ一致しており, 本論文における検討期間においては,1974 年に竣工した福地ダムの小さい外部変形量が時系列干渉 SAR 解析により良好に計測されている. 図 -9に, 検討対象とした5ダムの最大断面天端の GPS 測量点における時系列干渉 SAR 解析とGPS 測量による外部変形量の比較図を示す. ロックフィルダムの最大断面天端は, 一般的に外部変形量が大きくなる箇所の一つであるため, 測量やGPSの計測点が設置されている場合が多く, ロックフィルダムの外部変形計測において重要な計測点と考えられている ). 図 -9を見ると, 本論文で対象とした5ダムについては, 竣工年が古いダムほど最大断面天端の外部変形量は小さくなる傾向にあり, 一部で最大 mm 程度の誤差が生じているものの, 多くの計測点ではSARとGPS 測量の外部変形量はほぼ一致している. なお, 衛星 SARの視線方向に近い鉛直方向の計測精度 6

7 S/G S11/G11 S1 S/12G12 S4 S2/G2 S5 S3 S7 S6 S8 S9 07 年 1 月 12 日 07 年 4 月 14 日 07 年 8 月日 07 年月日 07 年 11 月日 08 年 1 月日 08 年 4 月 16 日 08 年 6 月 1 日 08 年 9 月 1 日 09 年 1 月 17 日 09 年 4 月 19 日 (cm) 衛星視線方法の変位量.+ は衛星から遠ざかる方向の変位. 09 年 9 月 4 日年 1 月日 11 年 1 月 23 日図 -6 福地ダムの時系列干渉 SAR による干渉画像 ( 南行軌道 ) については, 光波測量は ±2.5mm 程度,GPSは ±1.5mm 程度と考えられている ) が, 実際の光波測量とGPSの計測値は気象条件等の影響を受けたり偶然誤差を含むため, 図 -8と図 -9の光波測量とGPSの結果には差異が生じているものと考えられる. 表 -3に,5ダムの測量 GPS 計測点数と, 時系列干渉 SAR 解析による外部変形量と GPS 測量による外部変形量の二乗平均平方根誤差 (RMSE, Root Mean Square Error) を示す. 表 -3のRMSEの算出に際しては,GPSの計測が実施されている計測点においてはGPSの計測値とSARの計測値の差分からRMSEを算出している. 一方, 光波測量により外部変形量が計測されている計測点のRMSEの算出に際しては,SAR 観測日の光波測量データが存在しないため,SAR 観測日に近い二時期の光波測量の外部変形量を線形補間してSAR 観測日の光波測量値を推定したうえでSAR 計測値との差分からRMSEを算出している. GPSと光波測量を併用している計測点については,GPS のデータを用いてRMSEを算出している. 表 -3を見ると,5ダムの上流面天端下流面における北行軌道と南行軌道のRMSE は3~9mmの範囲に分布しており,RMSE の平均値は約 5mmとなっている. なお, 北行軌道と南行軌道の衛星軌道の違いによるRMSEの影響は明確ではなく, 外部変形量が比較的大きな大保脇ダムと外部変形量が小さい他の4ダムのRMSEについても 7

8 下流測線天端測線上流測線 G G22 G14 G7 G21 G13 G6 G G12 G5 G19 G11 G4 G18 G G3 G17 G9 G16 G2 G8 G- G1 凡例 (mm) GPS SAR x 軸は観測日,y 軸は衛星の視線方向の変位量 (+ は衛星から遠ざかる方向 ) G-07 G-06 G-05 G-04 G G-02 G-14 G-13 G-12 G-11 G- G-09 G-22 G G- G-19 G-18 G G-01 G-08 図 -7 大保脇ダムの GPS 計測点における時系列干渉 SAR 解析と GPS による外部変形量の比較 G-16 8

9 右岸側測線最大断面測線左岸側測線 S-/G S S S-11/G S-02/G S S-12/G S S S-07 S-08 S-09 凡例 (mm) GPS 光波測量 SAR x 軸は観測日,y 軸は衛星の視線方向の変位量 (+ は衛星から遠ざかる方向 ) S/G S11/G11 S1 S/12G12 S4 S2/G2 S5 S3 S7 S6 S8 S9 図 -8 福地ダムの GPS 測量点における時系列干渉 SAR 解析と GPS 測量の外部変形量の比較凡例 (mm) GPS 光波測量 SAR x 軸は観測日,y 軸は衛星の視線方向の変位量 (+ は衛星から遠ざかる方向 ) G-12 大保脇ダム S-13/G-13 羽地ダム A-03 漢那脇ダム C-4 辺野喜ダム S-11/G-11 福地ダム図 -9 5 ダムの最大断面天端の GPS 測量点における時系列干渉 SAR 解析と GPS 測量による外部変形量の比較 ( 南行軌道 ) 9

上流大保脇ダム福地ダム表 -3 時系列干渉 SAR 解析と GPS 測量による外部変形量の二乗平均平方根誤差 (RMSE) 測量 GPS 計測点数 RMSE(mm) 北行軌道南行軌道上流面天端下流面全計測点上流面天端下流面全計測点上流面天端下流面全計測点大保脇ダム 7 8 7 22 6.5 3.1 5.5 6.2 4.9 4.9 7.7 5.

10 上流大保脇ダム福地ダム表 -3 時系列干渉 SAR 解析と GPS 測量による外部変形量の二乗平均平方根誤差 (RMSE) 測量 GPS 計測点数 RMSE(mm) 北行軌道南行軌道上流面天端下流面全計測点上流面天端下流面全計測点上流面天端下流面全計測点大保脇ダム羽地ダム ( 計測点なし ) 福地ダム ( 計測点なし ) 漢那脇ダム辺野喜ダム平均 5.0 平均 5.9 表 -4 斜面に対する衛星視線方向の角度および入射角斜面に対する衛星視線方向の角度 ( ) 入射角 ( ) 北行軌道南行軌道北行軌道南行軌道上流面下流面上流面下流面上流面下流面天端上流面下流面天端大保脇ダム羽地ダム福地ダム漢那脇ダム辺野喜ダム天端は水平と仮定しているため, 斜面に対する衛星視線方向において天端の角度は記載していない. 上流上流 8 北行軌道南行軌道上流 8 上流羽地ダム漢那脇ダム辺野喜ダム図 - 対象ダムの航空写真と北行軌道南行軌道の衛星視線方向大きな差異は見られない. なお, 大保脇ダムでは,06 年 12 月の盛立完了から現在まで最大で約 cmの沈下が発生しているが, この程度の沈下量は設計で考慮されており, これまでに安全性上の問題は全く発生していない. 大保脇ダムの沈下量は堤高 66mに対して約 cm であり, 堤高に対する沈下量の比は約 0.% となっているが, 既設ロックフィルダムにおける盛立完了年後の沈下量 / 堤高の比の値 (0.1~ 0.5%) ) の中では比較的小さな値となっている. 衛星 SARによりロックフィルダムの上下流面の変位を計測する際には, 前述したとおり図 -1に示すようなレイオーバーあるいはレーダシャドウにより斜面の変位が計測できなかったり, フォアショートニングにより斜面の変位の計測精度が悪化する可能性が考えられる. 対象ダムの上流面下流面天端について, 表 -4に衛星視線方向との角度および入射角を示す. なお, 図 -に対象ダムの航空写真と北行軌道南行軌道の衛星視線方向を示し, 図 -11にダムの斜面に対する衛星視線方向の角度の定義を示す. 本論文で使用したALOS/PALSARのオフナディア角は34.3 であり, またダムの上下流面の角度が表 -1に示したように18.4~26.6 であることから, 対象 5 ダムの上流面下流面においてはレイオーバーあるいは (=360 ) 図 -11 ダムの斜面に対する衛星視線方向の角度の定義 ( 上図のの方向がダム軸方向 ) オフナディア角 (34.3 ) 入射波後方散乱ダムの斜面の角度 (~ ) 入射角オフナディア角 (34.3 ) 入射波後方散乱入射角ダムの斜面の角度 (~ ) (a) 入射波と斜面が (b) 入射波と斜面が平行正対する場合に近くなる場合図 -12 衛星視線方向とダムの斜面の向きによる後方散乱の概念図

11 レーダシャドウは発生しておらず, 表 -4に示す入射角の値で対象ダムの上流面下流面天端の干渉 SAR 解析が実施できている. 図 -12にダムの斜面に対する衛星視線方向の角度と後方散乱の概念図を示す. 衛星からの入射波とダムの斜面が正対する場合 ( 図 -12(a)) には, 入射波がダムの斜面にほぼ垂直にあたるため, ダムの斜面からの後方散乱が大きくなると考えられる. 一方, ダムの斜面に対して入射波が平行に近い方向から入射する場合 ( 図 -12(b)) には, ダムの斜面からの後方散乱が小さくなると考えられる. ただし, 前述のとおり, 本論文で対象としたロックフィルダムの表面にはリップラップと呼ばれる最大粒径約 1mの表面に凹凸のある岩石が配置されるため, ダムの斜面に対して入射波が平行に近い方向から入射し入射角が大きい場合 ( 図 -12(b)) においても, ある程度の後方散乱が得られると考えられる. 衛星視線方向とダムの斜面の向きがダムの変位の計測精度に与える影響を分析するため, ダムの上下流面に対する衛星視線方向の角度とRMSEの関係を図 -13に示す. 斜面に対する衛星視線方向の角度の定義は図 -11に示すとおりである. なお, 天端は水平と仮定しているため, 図 -13には天端におけるRMSEは示していない. 図 -13を見ると, 斜面に対する衛星視線方向の角度が180 程度の時にRMSEが大きい傾向となっている. これは, 図 - 12(b) のように入射波が斜面に対して平行に近い方向から入射する状態となっており, この場合には後方散乱が小さくなり外部変形量の計測精度が悪化するものと考えられる. また, 斜面に対する衛星視線方向の角度が0 程度あるいは360 程度の時にもRMSEがやや大きい傾向となっている. これは, 図 -1に示したフォアショートニングの影響によりダムの斜面の変形量の計測精度が悪化して可能性が考えられる. 一方, 斜面に対する衛星視線方向の角度が90 あるいは270 に近い時にはRMSEが小さい傾向となっており, 図 -11においてダムの斜面を横から観測する時, つまり衛星視線方向がダム軸方向になる場合にはフォアショートニング等の変位の計測精度の悪化となる要因を受けにくくなり,RMSE が小さくなるものと考えられる. 衛星視線方向とダムの斜面の向きがダムの変位の計測精度に与える影響をさらに詳細に分析するため, 入射角と計測誤差 (RMSE) の関係を図 -14に示す. なお, 表 -4 および図 -14の入射角の算定に際しては天端は水平と仮定している. 図 -14を見ると, 入射角が ~ と小さい時にはRMSEのばらつきがやや小さく, 入射角が 50 ~70 と大きい時にはRMSEのばらつきがやや大きい傾向がある. 図 -12(a) に示したように入射角が小さい場合には後方散乱が大きいため, 観測される位相が安定することにより,RMSEのばらつきが小さい傾向になるものと考えられる. 一方, 入射角が大きい場合には後方散乱が小さくなり, 観測される位相の精度が悪化することにより,RMSE のばらつきが大きい傾向になるものと考えられる. なお, 図 -14においては, 入射角が小さい時のRMSEあるいはRMSEのばらつきは大きくはなく, フォアショートニングの影響は明瞭ではない. 図 -に, ダムの斜面に対する衛星視線方向の角度および入射角とRMSEの関係を示す. なお, 図 -においては, 図中の円の直径がRMSEに比例するように図化しており,RMSEを3 段階に色分けしている. 図 -を見ると, ダムの斜面に対する衛星視線方向の角度が180 を境として入射角は対照となりほぼ直線分布となっており, 斜面に対する衛星視線方向の角度が135 ~2 程度で入 RMSE (mm) 下流面上流面斜面に対する衛星視線方向の角度 ( ) 図 -13 ダムの上下流面に対する衛星視線方向の角度と RMSE の RMSE(mm) 入射角 ( ) 関係入射角 ( ) 図 -14 入射角と RMSE の関係下流面上流面天端斜面に対する衛星視線方向の角度 ( ) RMSE が 7~9mm RMSE が 5~7mm RMSE が 3~5mm 図 - 斜面に対する衛星視線方向の角度および入射角と RMSE の関係 11

12 射角が50 以上の場合にRMSE が大きくなったりあるいはRMSEのばらつきが大きくなる傾向となっている. これは, 前述のとおり, 図 -12(b) のようにダムの斜面に対して平行に近い方向から入射波が入射することにより入射角が大きくなり, 後方散乱が小さくなることに起因するものと考えられる. 5. 結論ダム等のインフラの長寿命化に資する効果的効率的なモニタリング手法を開発することを目的として, 衛星 SARの1 シーンに含まれる5 基のロックフィルダムを対象に約 4 年間の外部変形計測を行った.ALOS/PALSARの北行軌道南行軌道の各 14シーンを用いて, 時系列干渉 SAR 解析により対象 5ダムの外部変形量を計測し, 測量やGPSにより計測された外部変形量と比較した. ロックフィルダム上下流面は~ の斜面勾配を有しており, フォアショートニング等によりダムの変形量の計測誤差に対する影響が考えられることから, ダムの斜面に対する衛星視線方向の角度および入射角が衛星 SARによる変形量の計測誤差に及ぼす影響の検討を行った. 本論文の検討により, 以下の結論が得られた. 対象とした5 基のロックフィルダムの堤体の良好な干渉画像が得られた. ロックフィルダムの堤体表面には最大粒径約 1mの岩石 ( リップラップ ) が配置されることからレーダの反射が良好と考えられること, リップラップの表面はある程度の凹凸があるためレーダの入射角が大きい場合にもある程度の後方散乱が得られると考えられること, リップラップの植生は定期的に伐採されレーダの反射が良好になるような維持管理がされていることなどから, ロックフィルダムは衛星 SARによる変位計測の適用性が高いと考えられる. 時系列干渉 SAR 解析により得られた外部変形量と, GPS 測量により計測された外部変形量を比較したところ, 両者はよく一致した. また, 二乗平均平方根誤差 (RMSE) は約 5mmとなり, 時系列干渉 SAR 解析によりロックフィルダムの外部変形量を精度よく計測することができた. 比較的最近( 年 ) 竣工した外部変形量が比較的大きなロックフィルダムと,1974 年に竣工した外部変形量が小さいロックフィルダムのRMSEは同程度となった. 本論文における衛星 SARの観測条件 (Lバンド, 観測間隔等 ) およびロックフィルダムの観測条件 ( 斜面勾配, 年間の変形量等 ) においては, ダムの外部変形量が計測誤差に与える影響は小さいものと考えられる. ダムの上下流面に対する衛星視線方向の角度による外部変形量の計測誤差への影響を分析した. 衛星視線方向とダムの斜面が正対する場合と, 衛星視線方向とダムの斜面が平行に近くなる場合のRMSEがやや大きくなる傾向が確認された. 衛星視線方向とダムの斜面が正対する場合にはフォアショートニングにより変形量の計測誤差が大きくなると考えられ, 衛星視線方向とダムの斜面が平行に近くなる場合には後方散乱が小さくなり変形量の計測精度が悪化することが要因として考えられる. 一方, 衛星視線方向がダムの斜面の横方向になる場合 ( 衛星の視線方向がダム軸方向になる場合 ) には,RMSE が小さくなる傾向が確認された. これは, フォアショートニング等の計測誤差を大きくすると考えられる要因の影響が小さくなるためと考えられる. 入射角がダムの上流面下流面天端における変形量の誤差に及ぼす影響を分析した. 入射角が小さい場合にはRMSEのばらつきがやや小さく, 入射角が大きい場合にはRMSEのばらつきがやや大きい傾向となった. 入射角が小さい場合には後方散乱が大きく観測されるために位相の精度が安定すること, 入射角が大きい場合には後方散乱が小さくなり観測される位相の精度が悪化することが要因として考えられる. なお, 本論文においては, 入射角が小さい場合のフォアショートニングの影響は明瞭には確認されなかった. 本論文で対象とした5 基のロックフィルダムの上流面下流面天端への入射角は, 最小で13, 最大で 65 となっており, レイオーバーあるいはレーダーシャドウは発生しておらず,5ダムの全ての上流面下流面天端について干渉 SARにより外部変形量を計測することができた. 本論文で対象とした5 基のロックフィルダムの上下流面勾配と比較すると, 日本の既設ロックフィルダムの上下流面勾配は同程度である. また, 海外の既設ロックフィルダムの上下流面勾配は日本のダムと同程度か緩勾配のダムが多い傾向がある. そのため, 今回使用したオフナディア角 34.3 程度の衛星 SARデータであれば, 日本および海外のロックフィルダムを対象として干渉 SAR 解析により外部変形量を計測することが可能と考えられる. 今後は,14 年 5 月に打ち上げられただいち2 号のデータを用いて, 今回検討した5ダムとともに他の複数のロックフィルダムを対象として検討を行い, 斜面に対する衛星視線方向の角度あるいは入射角と変形量の計測精度等についてさらに検討を進める予定である. だいち2 号の空間解像度は3m 程度であり, 軌道保持精度も高く, 変位計測精度が向上することが期待される. また, だいち2 号の観測波長のLバンドは, 地表面の植生の影響を受けにくいことから, 今後はダムの堤体とあわせて貯水池周辺斜面のモニタリングへの適用性について 12

13 も検討を行い, ダムおよび貯水池周辺斜面の維持管理の更なる効果的効率的なモニタリング手法の開発を進めていきたい. また, 衛星 SARは積雪時にはダムの表面の変位を計測することは出来ない等の短所もあるため,GPSや光波測量等の計測手法と衛星 SARを組み合せることにより, 各手法の特徴を考慮した効果的効率的なダム等の変位モニタリング技術の開発を進めていきたい. 謝辞 : 本研究にあたり, 内閣府沖縄総合事務局北部ダム統合管理所には,GPSや測量による堤体の外部変形計測データや航空レーザ等を提供して頂きました. 本研究にあたり, 山口大学の清水則一教授には, 誤差低減等に関して貴重なご意見を頂きました. ここに記して謝意を表します. 本研究は, 内閣府のSIP( 戦略的イノベーション創造プログラム ) のインフラモニタリング分野の研究課題衛星 SARによる地盤および構造物の変状を広域かつ早期に検知する変位モニタリング手法の開発 (H26 ~H 予定 ) により実施されているものです. 本研究は, 公益財団法人河川財団 ( 旧河川環境管理財団 ) による平成 23 年度河川整備基金助成事業 SAR( 合成開口レーダ ) によるフィルダムの外部変形計測の研究 ( 助成番号 : ) により得られた成果を発展させたものです. 参考文献 1) 国土交通省水管理国土保全局河川環境課 : ダム総合点検実施要領同解説,122p., 13. 2) Wang, T., Perissin, D., Rocca, F. and Liao, M. S. : Three Gorges Dam stability monitoring with time-series InSAR image analysis, Science China Earth Sciences, Vol. 54, No. 5, pp , 11. 3) Grazanic, G., Lier, O., Ekstrom, I., Larsen, Y. and Lauknes, T. R. : Adopting remote sensing dam surveillance, 82 nd Annual Meeting of International Commission on Large Dams (ICOLD), pp , 14. 4) Hanssen, R. : Detecting instabilities in dams using satellite radar interferometry, 81 st Annual Meeting of International Commission on Large Dams (ICOLD), ( 講演資料, USB), 13. 5) Sato, H., Kobori, T., Sasaki, T., Yamaguchi, Y., Iwasaki, T., Mushiake, N. and Honda, K. : New exterior deformation monitoring method for embankment dams using synthetic aperture radar, 81 st Annual Meeting of International Commission on Large Dams (ICOLD), pp , 13. 6) Sousa, J. J. and Bastos, L. : Multi-temporal SAR interferometry reveals acceleration of bridge sinking before collapse, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., Vol. 13, pp , 13. 7) Lazecký, M., Rapant, P., Perissin, D. and Bakoň, M. : Deformations of highway over undermined Ostrava-Svinov area monitored by InSAR using limited set of SAR images, Conference on ENTERprise Information Systems (CENTERIS), pp , 14. 8) 大内和夫 : リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎,384p., 09. 9) 国土技術研究センター編 : 改定解説河川管理施設等構造令,423p., 08. ) ( 一社 ) ダム工学会計測管理研究部会 : フィルダムの変位計測に関する GPS 利用マニュアル,1p., ) Ferretti, A., Prati, C. and Rocca, F. : Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., Vol. 38, pp , ) Berardio, P., Fornaro, G., Lanari, R. and Sansosti, E. : A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 40, No. 11, pp , ) Ghulam, A., Amer, R. and Ripperdan, R. : A filtering approach to improve deformation accuracy using large baseline, low coherence DInSAR phase images, IGARSS, pp ,. 14) Costantini, M. : A novel phase unwrapping method based on network programming, Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions, Vol. 36, No. 3, pp , ) ( 一財 ) ダム技術センター : 多目的ダムの建設, 第 4 巻設計 I 編, 第章フィルダムの設計,p. 91, 05. ( 受付 ) 13

14 INTERFEROMETRIC SAR TIME SERIES ANALYSIS FOR EXTERNAL DEFORMATION MONITORING OF FIVE ROCKFILL DAMS USING ALOS/PALSAR DATA Hiroyuki SATO, Takashi SASAKI, Masafumi KONDO, Toshihide KOBORI, Aoi ONODERA, Yoshikazu YAMAGUCHI, Wataru SATO, Naruo MUSHIAKE and Kenichi HONDA Satellite SAR has been widely used in many fields such as monitoring of crustal movements caused by large earthquakes and has been mainly made great achievements as the monitoring technology at the time of relatively wide area disasters. The surface of the area to be observed by the satellite SAR is a very wide area with dozens km square and the spatial resolution and the analysis methods have been improved in recent years. Advanced Land Observing Satellite (ALOS) with a Phased Array L-band SAR (PALSAR) sensor (ALOS/PALSAR) was launched by Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) in January 06 and completed the operation in May 11 (JAXA). In this paper, we used ALOS/PALSAR data for SAR based external deformation monitoring of five rockfill dams in the same ALOS/PALSAR data. External deformations of five rockfill dams for about four years were calculated by SAR and compared with other methods such as GPS or electro-optical survey. The average root mean square error (RMSE) of external deformations of five rockfill dams between SAR and other methods resulted in about 5 mm. We investigated effects of angles between slopes of dam surfaces and illumination directions and angles of incidences on the accuracy of external deformations. We found that variations of RMSEs tented to be larger when angles of incidences were larger. 14

本研究では日本全国の観測を続けてきた JAXA のALOS の計測データにより, 時系列 InSAR を応用することで, 空港埋立地盤や臨海部のコンクリート構造物に対してその変動を把握できるか検証する. 解析に用いる ALOS とその時系列 InSAR 解析には以下のような特徴がある. ALOS に

本研究では日本全国の観測を続けてきた JAXA のALOS の計測データにより, 時系列 InSAR を応用することで, 空港埋立地盤や臨海部のコンクリート構造物に対してその変動を把握できるか検証する. 解析に用いる ALOS とその時系列 InSAR 解析には以下のような特徴がある. ALOS に土木学会論文集 B2( 海岸工学 ),Vol. 72, No. 2, I_1633 I_1638, 2016. 衛星観測による干渉 SAR 解析を用いた港湾施設の変状の計測穴原琢摩 1 夏秋嶺 1 琴浦毅 2 岩塚雄大 3 佐々木義信 1 冨井直弥 4 前田勇司 2 西畑剛 2 1 ( 国研 ) 宇宙航空研究開発機構地球観測研究センター ( 305-8508 茨城県つくば市千現 2-1-1)E-mail:

土木学会論文集 F3( 土木情報学 Vol. ), 73, No. 1, 1-14, ALOS/PALSAR データを用いた時系列干渉 SAR 解析による 5 基のロックフィルダムの外部変形計測 佐藤弘行 1 佐々木隆 2 金銅将史 3 小堀俊秀 4 小野寺葵 5 山口嘉一 6 佐藤渉

土木学会論文集 F3( 土木情報学 Vol. ), 73, No. 1, 1-14, ALOS/PALSAR データを用いた時系列干渉 SAR 解析による 5 基のロックフィルダムの外部変形計測佐藤弘行 1 佐々木隆 2 金銅将史 3 小堀俊秀 4 小野寺葵 5 山口嘉一 6 佐藤渉