だいち 緊 急 観 測 観 測 から 画 像 公 開 まで のプロセス(その2) SAR 干 渉 処 理 について 第 5 回 JAXA 人 工 衛 星 セミナー 島 田 政 信 JAXA/EORC 2009 年 10 月 6 日 ( 火 曜 日 )
合 成 開 口 レーダ 観 測 のしくみ 地 震 による 地 殻 変 動 とインターフェロメトリ( 干 渉 縞 )が できるまで だいち 画 像 からわかること ふよう1 号 からの 進 化 地 震 直 後 の 地 殻 変 動 は 発 生 前 後 の 合 成 開 口 レーダ 画 像 を 比 較 することで その 変 動 の 大 きさを 知 ることが 可 能 です ここ では 画 像 の 干 渉 ( 比 較 ) 処 理 の 方 法 と 干 渉 画 像 の 読 み 解 き 方 をお 話 します
SARに 関 して SARとは 何? SARでなぜ 高 分 解 能 画 像 が 出 来 るの? SARでなぜ 地 表 の 位 置 を 決 定 できるの? 干 渉 SARとは? 干 渉 SARでなぜ 地 表 の 変 化 や 地 形 高 度 がわかるの?
PALSAR 画 像 の 代 表 例 : 富 士 山 振 幅 画 像
PALSAR 画 像 の 代 表 例 : 富 士 山 振 幅 画 像
富 士 山 の 干 渉 画 像
合 成 開 口 レーダの 歴 史 長 所 短 所 History 1950s: 航 空 機 SARの 登 場 米 国 南 米 の 探 査 1978, Seasat: 世 界 初 の 地 球 観 測 用 Lバンド-SAR 1980s,1990s: 米 国 欧 州 日 本 ロシアが 打 ち 上 げ 2000s:ENVISAT ALOS RADARSAT-2, TERRA- SARX,,Cosmo-Skymed 打 ち 上 げ 特 徴 ( 長 所 ) 高 分 解 の 画 像 ( 数 メートルの 分 解 能 ) 計 算 機 処 理 ( 相 関 処 理 ) 振 幅 位 相 の 抽 出 昼 夜 天 候 に 左 右 されない 短 所 特 有 の 雑 音 を 持 つ 斜 視 観 測 の 為 に 画 像 の 歪 みを 受 ける 地 上 レーダーの 干 渉 を 受 ける
JERS-1 SAR SAR model JERS-1 SAR artistic view
Star Tracker PALSAR ALOS Satellite System Data Relay Antenna GPS Antenna Launch Date Launch Vehicle Spacecraft Mass Generated Elec. Power Orbit Altitude Repeat Cycle (Sub-Cycle) Jan. 24 2006 H-IIA about 4,000kg about 7kW at EOL Sun Synchronous 691.65km 46 days ( 2 days ) PRISM AVNIR-2 Solar Array Paddle Velocity Nadir PRISM : Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping AVNIR-2: Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2 PALSAR: Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar
1. SAR 画 像 化 1950 年 代 に 開 発 されたSARは 全 て 光 学 処 理 (レンズの 組 み 合 わ せ)で 映 像 化 していた 得 られた 画 像 は 写 真 に 焼 き 付 けていた 1978 年 に 打 ち 上 げられたSeaSATではデジタル 処 理 可 能 なデー タを 取 得 しており JPLのWuによって 開 発 されたデジタル 型 処 理 ア ルゴリズムが 世 界 の 中 心 になってゆく
レーダーとは antenna target RADAR: Radio Detection and Ranging 反 射 信 号 の 検 出 時 間 遅 れの 検 出 距 離 = 時 間 差 xc/2 得 られるもの: 反 射 強 度 と 距 離 ( 位 相 ) C: 光 速
合 成 開 口 レーダーとは antenna target Synthetic Aperture RADAR: Radio Detection and Ranging 反 射 信 号 の 検 出 時 間 遅 れの 検 出 信 号 帯 域 幅 を 広 げ 映 像 化 を 可 能 にした もの 距 離 = 時 間 差 xc/2 得 られるもの: 反 射 強 度 と 距 離 ( 位 相 )
宇 宙 を 飛 ぶSARからなぜ 地 球 表 面 を 識 別 できるのか? 移 動 1: 距 離 2:ドップラー 周 波 数 距 離 (レーダーからわかる) ドップラー 周 波 数 地 面 観 測 点
重 複 しながら 低 分 解 能 画 像 の 取 得 高 分 解 能 画 像 への 変 換 圧 縮 処 理
小 さなレンズ 分 解 能 荒 い
大 きなレンズ 分 解 能 がよい
宇 宙 を 飛 ぶレーダー( 広 帯 域 )がなぜ 高 分 解 能 画 像 を 得 ることが できるのか? 送 信 信 号 を 広 帯 域 化 する 地 面 の 距 離 を 正 確 に 記 録 し 相 関 処 理 で 高 分 解 能 化 を 行 う SAR on orbit orbit R ~cτ/2:5km ~βr:12km
高 分 解 能 化 処 理 とは: 相 関 処 理 内 容 τ /2 τ /2 g( t ')= f (t) f * r (t + t ')dt 信 号 とモデル 信 号 の 積 和 演 算
合 成 開 口 レーダーのまとめ 距 離 と 反 射 強 度 を 計 測 高 分 解 能 化 の 為 の 帯 域 幅 増 加 広 帯 域 幅 化 :レンジ 方 向 の 圧 縮 ドップラー 帯 域 幅 :アジマス 方 向 の 圧 縮 距 離 を 計 測 する
距 離 の 計 測 であるが 波 長 が 短 すぎる 為 に 往 復 距 離 を 波 長 で 割 った 余 りを 計 測 している レーダー 対 象 物 波 長 余 り 分 を 距 離 あるいは 角 度 として 計 測 位 相 差 計 測 で 半 波 長 以 内 でも 計 測 可 能
SAR 画 像 化 高 分 解 能 画 像 化 レンジ 方 向 :FM 変 調 アジマス 方 向 :ドップラー 変 調 Bw L JERS-1 15M 12m PALSAR 28M 9m PALSAR 14M 9m Pi-SAR 50M 1.6m Ionosphere Cloud water vapor SAR 画 像 は 観 測 対 象 物 の 反 射 強 度 と 時 間 遅 れを 含 む 関 数 S ra ( ) ( R, x) = A( R, x)sin c 2πB w R R 0 C sin c 2π x x 0 L exp 4πR 0 λ j
SAR 画 像 の 見 え 方 倒 れ 込 み S/C フォアショートニング B A C A B C 絵 が 右 詰 まり:fore shortening レイオーバー/シャドウイング DZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå ÇÈÇžÇ½Ç ÇÕÅA ÅgQuickTimeýÅhã@î\ägí DzÅA ÅgÉtÉHÉg - JPEGÅhêLí ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ ïkóvç-çå B
2. 干 渉 処 理 (Differential SAR interferometry) DEM and Surface deformation SAR 画 像 が 1) 観 測 対 象 物 の 反 射 信 号 と 2) 衛 星 と 観 測 物 の 距 離 の 情 報 を 持 つことに 着 眼 し 二 回 の 観 測 の 差 が 距 離 の 差 そして 地 面 の 高 さ 地 殻 変 動 を 抽 出 することができるもの 1976 年 に アメリカ 人 が 発 案
二 時 期 で 位 置 が 変 化 する 場 合 S M 距 離 1 距 離 2 平 行 軌 道 間 距 離 距 離 2 - 距 離 1- 平 行 軌 道 間 距 離 = 地 殻 変 動 量 の 衛 星 方 向 成 分 DZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå ÇÈÇžÇ½Ç ÇÕÅA ÅgQuickTimeýÅhã@î\ägí DzÅA ÅgQuickTimeýÅhã@î\ägí DzÅA ÅgÉtÉHÉg - JPEGÅhêLí ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ ïkóvç-çå ÅgÉtÉHÉg - JPEGÅhêLí ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ ïkóvç-çå B B 観 測 1 観 測 2 地 球 表 面
二 時 期 で 位 置 が 変 化 しない 場 合 M 軌 道 間 距 離 S レンジ 距 離 = + 高 さ DZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå ÇÈÇžÇ½Ç ÇÕÅA ÅgQuickTimeýÅhã@î\ägí DzÅA ÅgÉtÉHÉg - JPEGÅhêLí ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ ïkóvç-çå B 距 離 の 差 は 高 さ 軌 道 間 距 離 入 射 角 レンジ 距 離 に 比 例 地 球 表 面
なぜcm 程 度 の 距 離 が 計 測 できるか? SARの 距 離 分 解 能 は4.5m 程 度 である 従 って 振 幅 画 像 を 用 いると 4.5m 程 度 で 距 離 の 計 測 が 可 能 である しかし これで はcm 程 度 の 計 測 は 出 来 ない 干 渉 手 法 を 用 いることで cm 程 度 の 距 離 の 差 の 計 測 が 可 能 であ る 干 渉 とは: 一 つの 画 像 の 中 に 数 千 個 の 反 射 点 があり 各 々が 衛 星 からの 距 離 情 報 を 保 存 しており 統 計 処 理 により 波 長 の 数 分 の 一 の 精 度 で 距 離 の 差 を 計 測 する 技 術
距 離 の 変 化 分 をレーダー 視 線 方 向 だけ 検 出 するので 地 面 の 隆 起 か 衛 星 への 近 づくのかわからない
距 離 2 距 離 1: 場 合 1: 距 離 2< 距 離 1: 地 面 が 衛 星 に 近 づく 隆 起? 場 合 2: 距 離 2> 距 離 1: 地 面 が 衛 星 から 遠 ざかる 沈 降? 衛 星 から 遠 ざかる 衛 星 に 近 づく - 波 長 /4 0 波 長 /4
干 渉 SAR 二 つのレーダで 計 測 した 画 像 の 差 分 には 以 下 の 情 報 が 含 まれる 1) 高 さ (z) 2) 高 さの 変 化 (dz/dt)( 地 殻 変 動 ) 3) 大 気 変 化 ただし 計 測 は 半 波 長 以 内 である また 干 渉 しやすいことが 条 件 で ある 方 法 繰 り 返 し 干 渉 SAR 単 一 軌 道 干 渉 SAR coordinate
干 渉 とは? master slave 干 渉 度 3/9 5m 悪 い 9/9 干 渉 とは: 二 つの 画 像 の 類 似 性 をいう 良 い
干 渉 SAR 処 理 流 れ Doppler model : f D = a 0 + a 1 r + a 2 r 2 主 画 像 テレメトリ 解 析 : Doppler Model レンジ 圧 縮 Curvature アジマス 圧 縮 共 通 化 従 画 像 Telemetry: Doppler Model レンジ 圧 縮 Curvature アジマス 圧 縮 a b * γe jϕ = a a * b b * output 画 像 あわせ 込 み 平 滑 か r g '= a + b r g + c a z + d r g a z a z '= e + f r g + g a z + h r g a z 軌 道 補 正 地 形 補 正
差 分 干 渉 処 理 (1/3) 能 登 半 島 地 震 を 例 に 挙 げて 画 像 の 作 成 手 順 を 示 す まず 主 画 像 ( 災 害 後 ) と 従 画 像 ( 災 害 前 )を 映 像 化 する 振 幅 画 像 は 下 にあるように 何 ら 差 はな い 観 測 座 標 主 画 像 (4/10/2007) 従 画 像 (2/23/2007)
差 分 干 渉 処 理 (2/3) 干 渉 の 具 合 ( 中 間 結 果 ) 干 渉 しているが 縞 の 間 隔 が 狭 くてよくわからない 干 渉 度 生 干 渉 図
差 分 干 渉 処 理 (3/3) 干 渉 処 理 を 行 い 軌 道 間 距 離 の 補 正 地 形 の 補 正 を 行 い 地 図 投 影 して 最 終 結 果 を 得 る (1) 軌 道 縞 補 正 (2) 地 形 縞 補 正 (3) 最 終 結 果
能登半島近辺の拡大図 振幅図 等高線 生干渉図 地殻変動図
-5.9cm 5.9cm
ソロモン 地 震 M8.1 April 2 2007 3パスの 変 動 量 の 重 ね 合 わせ RSP344:4/10-2/23 RSP345:5/3-1/31 RSP343:5/10-2/12 FBS343HH 軌 道 補 正 なし その 他 補 正 なし 3パスのモザイク
阪 神 淡 路 大 震 災 (1995 年 1 月 1 7 日 )の 地 殻 変 動 パターンに 伴 う 技 術 改 良 JERS-1 SAR DinSAR Master:1995/2/6 Slave:1992/9/9 First Image of 1995 Fault at Hokutan-cho
岩 手 宮 城 地 震 2008 年 6 月 23 日 の 画 像 と 2008/6/23-2006/6/19 Bp=-500m 2008/6/24 2007/6/19 で 異 なる 方 向 から 観 測 して 水 平 垂 直 変 位 を 取 得 JAXA, METI, analyzed by JAXA
(Unwrapped data) Unwrapped phase 変 化 量 を 積 分 したもの(3 次 元 図 ) 近 づく 76.7cm=(11.8*6.5) +24cm 遠 ざかる 変 動 量 の 断 面 図 /Cross section -110cm 0 cm -110 0 24
Decomposition in up-down and east-west. 断 層 の 東 側 で50センチ 程 度 西 に 移 動 また 12センチ 程 度 沈 降 JAXA, METI, analyzed by JAXA 0-11.8-47.8-11.8 0 沈 降 西 に 移 動 11.8cm 垂 直 変 動 /Vertical 水 平 変 動 /horizontal
精 度 と 誤 差 要 因 精 度 :2cm 程 度 誤 差 1: 水 蒸 気 :Cを 遅 くする > 沈 降 と 間 違 える 誤 差 2: 電 離 層 :Cを 速 くする > 隆 起 と 間 違 える
干 渉 SARによるDEM 作 成
他 の 周 波 数 との 比 較 L Aquila Earthquake on April 9 2009 高 い 周 波 数 は: 分 解 能 は 高 異 しかし 植 生 があると 観 測 でき ない
まとめ SARによる 映 像 化 の 原 理 干 渉 SARによる 地 殻 変 動 抽 出 DEM 抽 出 について 紹 介 した 特 に 植 生 を 透 過 するL-band SARは 地 面 の 情 報 を 多 く 取 得 する ことができ 地 殻 変 動 抽 出 に 有 効 である