はじめに 人 工 衛 星 が 撮 影 した 画 像 は 広 い 範 囲 を 一 度 の 観 測 できますので 地 球 温 暖 化 といったグ ローバルな 現 象 の 解 析 に 一 番 適 しています しかし 今 まで 衛 星 画 像 は 静 止 気 象 衛 星 ひま わり の 画 像 のように テ

ビジュアル 衛 星 画 像 と 遊 ぼう An introduction to satellite image analysis using MultiSpec 2011 年 8 月 1

はじめに 人 工 衛 星 が 撮 影 した 画 像 は 広 い 範 囲 を 一 度 の 観 測 できますので 地 球 温 暖 化 といったグ ローバルな 現 象 の 解 析 に 一 番 適 しています しかし 今 まで 衛 星 画 像 は 静 止 気 象 衛 星 ひま わり の 画 像 のように テレビで 見 る 機 会 はあっても 自 分 で 扱 うことは 難 しかったです これは データを 解 析 するソフトと 衛 星 データを 手 に 入 れることが 難 しかったことによります しかし アメリカの 地 球 観 測 衛 星 であるランドサットのデータが 無 料 で 入 手 することができるよう になりました また 解 析 ソフトも 公 開 されています このような 状 況 に 鑑 み 衛 星 画 像 を 解 析 し てみる 教 材 を 作 成 してみました 自 然 科 学 の 分 野 の 学 習 は 自 分 でいろいろとやってみることで 面 白 さが 倍 増 します この 教 材 がそういった 自 己 学 習 の 手 助 けになれば 幸 いです 2

目 次 1. 解 析 ソフト(MultiSpec)のダウンロードとインストール 2.ランドサットデータの 入 手 方 法 3.ランドサットデータの 表 示 4.カラー 合 成 5. 画 像 分 類 3

1.MultiSpecのダウンロードとインストール 解 析 ソフトとして 米 国 のPurdue 大 学 で 開 発 されているMultiSpecを 使 います MultiSpecのサイトへアクセスすると 右 の 画 面 が 表 示 されます MultiSpecに は Macintosh 版 とWindows 版 がありま す ここでは Windows 版 を 使 ってみま す DownloadからWindowsを 選 択 する と 下 の 画 面 が 現 れます 7.28.2011 MultiSpec 32-bit version をクリックする と ダンロードが 始 まります ファイル(MultiSpecWin32Z.exe, 2.4MB) は ダウンロードフォルダに 保 存 されま すので それをダブルクリックします セキュリティの 警 告 の 画 面 が 現 れた ら 実 行 ボタンをクリックします 4

MultiSpecのインストール 実 行 ボタンを 押 すと 右 の 画 面 が 表 示 されます そのまま 一 番 上 の Unzip のボタンを 押 せば イ ンストールされます ユーザの 名 前 の 下 に MultiSpecWin32 のフォル ダが 作 成 され その 中 に 右 下 のような8つのファイ ルが 展 開 されます この 中 の MultiSpecW32.exe をダブルクリックすれば MultiSpecが 立 ち 上 がり ます 5

2.ランドサットデータの 入 手 方 法 ランドサットのデータは アメリカ 地 質 調 査 所 (USGS)のGlovisのサイトから 入 手 できます Glovisのサイトにアクセスします 右 下 のような 画 面 が 表 示 されます Collectionの 欄 からLandsat Archive L7 SLC-onを 選 択 し 日 本 の 東 京 あたりをクリックします ランドサット7 号 機 は 2003 年 5 月 に 観 測 機 器 (SLC)に 不 具 合 が 生 じ 中 央 部 以 外 の 両 端 に 画 像 欠 損 が 生 じています 関 東 平 野 をクリック 日 付 け 欄 で2002 年 6 月 7 日 の 画 像 を 選 択 左 上 にDownloadableが 表 示 されれば ダウンロードできます 左 下 に 表 示 されている Add のボタンをクリックすると 右 の Send to Cart ボタン がアクティブになりますので それをクリックします 下 のメッセージが 表 示 される ので 了 解 のボタンをク リックします 次 スライドの 登 録 画 面 が 現 れます 6

登 録 手 続 き 左 下 の 登 録 画 面 が 現 れますので 名 前 パスワードと 合 言 葉 を 入 力 し 送 信 します 右 下 の 画 面 が 現 れますので 情 報 を 入 力 し 送 信 すれば ダウンロードが 始 まります ダウンロードされたファイルを 展 開 します LE71070352002158EDC00 のフォルダが 作 成 されます 7 7

ランドサットデータのファイル 構 成 LE71070352002158EDC00 のフォルダの 中 を 見 て みましょう 12 個 のファイルが 保 存 されています こ のうち 9 個 が 画 像 ファイルです 番 号 から2002 年 6 月 7 日 に 撮 影 された 画 像 であることが 分 かります 一 番 最 後 のB10 B20といった 数 字 が バンド1 バ ンド2を 表 します 画 像 データはTIFF 形 式 で 保 存 され ています (TIFF: 画 像 データを 保 存 するフォーマットの1 種 ) バンド6にはB61とB62の2つのファイルがあります バンド8のサイズは ほかのバンドと 比 較 して 4 倍 の 大 きさとなっています 画 像 サイズの 単 位 は KB(キロバイト=10 3 バイト) です バイト(byte)は 情 報 量 を 表 す 単 位 で 1バイ トは 2 進 法 の8 桁 (8ビット:bit)です 2 8 =256ですの で 0~255の 整 数 を 扱 うことができます このデータの 全 サイズは 657MB(メガバイト =10 6 バイト)です 一 般 的 に 衛 星 画 像 のデー タ 量 は 大 きい 右 の 数 値 は 十 進 法 では2 7 +2 4 +2 3 +2 0 =153 です 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 0 0 1 1 0 0 1 8

ランドサットのバンド( 観 測 波 長 帯 )について 地 球 観 測 衛 星 は 地 表 から 反 射 される 太 陽 光 や 放 射 される 電 磁 波 を 観 測 しています 地 表 にある 物 質 か らの 反 射 の 具 合 は 物 質 と 光 の 波 長 により 異 なります 下 の3つの 線 は 光 合 成 を 盛 んに 行 っている 植 物 乾 いた 植 物 土 壌 からの 反 射 の 具 合 を 描 いたものです 波 長 の0.4μm(マイクロメートルで1マイクロメート ルは 10-6 メートルです)~0.7μmは 可 視 光 で 人 間 の 目 で 見 える 範 囲 です 植 物 は 緑 っぽく 見 えますので 緑 の 部 分 を 強 く 反 射 しています さらに 植 物 は 0.7μmを 超 えた ところで 反 射 が 強 くなっていま す 縦 の 棒 は ランドサットのバ ンドの 位 置 を 示 しています バンド1 バンド2 バンド3 バンド4 バンド5 バンド7 可 視 域 のところに3つのバンド 0.7μmを 超 えた 近 赤 外 域 に1バ ンド さらに 波 長 の 長 いところに バンド5とバンド7があります こ のグラフの 外 になりますが 熱 赤 外 域 にバンド6があります また 可 視 域 ~ 近 赤 外 域 の 広 い 範 囲 を 観 測 するバンド8が あります CBlueMarble 9

ランドサットのバンドについて 前 のスライドからも 分 かるようにランドサットでは 人 間 の 目 で 見 える 範 囲 ( 可 視 域 ) 以 外 も 含 めた 特 徴 のあ る 部 分 で 電 磁 波 を 観 測 しています 各 バンドの 観 測 波 長 帯 と 分 解 能 は つぎのとおりです 熱 赤 外 域 を 観 測 するバンド6の 分 解 能 は 60mで バンド1~バンド5の2 倍 になっています バンド8は 可 視 域 から 近 赤 外 域 までの 広 い 波 長 からの 信 号 を 取 得 しています これは 分 解 能 を 高 めるために 雑 音 の 影 響 を 低 くするためです バンド 観 測 波 長 帯 (μm) 説 明 分 解 能 バンド1 0.45 0.52 青 のバンド 30m バンド2 0.52 0.60 緑 のバンド 30m バンド3 0.63 0.69 赤 のバンド 30m バンド4 0.76 0.90 近 赤 外 域 で 植 生 の 解 析 に 使 われます 30m バンド5 1.55 1.75 短 波 長 赤 外 域 で 植 物 中 の 水 分 の 解 析 や 雲 と 雪 との 区 別 に 使 われます バンド6 10.4 12.5 熱 赤 外 域 で 地 表 からの 熱 の 放 射 量 を 観 測 しています 60m バンド7 2.08 2.35 バンド5と 同 じ 短 波 長 赤 外 域 で 岩 石 の 解 析 に 使 われま す バンド8 0.50 0.90 可 視 域 ~ 近 赤 外 域 の 白 黒 画 像 (パンクロマチック) 15m 30m 30m 10

MultiSpecの 立 ち 上 げ それでは ランドサットのデータを MultiSpecで 見 てみましょう MultiSpecのフォルダにある MultiSpecW32.exe をダブルクリッ クします 右 のような 画 面 が 現 れます Text Output には 操 作 した 時 の 結 果 が 表 示 されます 11

ランドサットデータの 表 示 タスクバーにある File > Open Image を 選 択 すると 右 上 の 画 面 が 現 れますので ランドサットのデータを 保 存 してい るフォルダを 指 定 します バンド1のデータを 選 択 し 開 く をクリックします 右 下 の 画 面 が 表 示 されますが そのま ま OK をクリック 下 のバンド1の 画 像 が 表 示 されます ラ ンドサットは 北 から 南 の 方 向 へ 飛 んでいますが 軌 道 は 東 側 に 傾 いていますので このような 画 像 になります 12

ほかのバンドを 見 てみましょう(1/3) File > Open Image でほかのバンドを 表 示 してみます 下 の 左 の 画 像 は 前 と 同 じバンド1です 右 の 画 像 は バンド4です バンドにより 見 え 方 がかなり 違 うのが 分 かります バンド1は 可 視 光 の 青 の 波 長 帯 を 観 測 しています 太 陽 光 の 青 の 波 長 は 大 気 中 で 散 乱 していますので 画 像 でも 若 干 ぼやけた 感 じに 見 えます また 太 平 洋 に 濃 淡 が 現 れています 霞 ヶ 浦 ははっきり とは 写 っていません これに 対 してバンド4は 植 生 の 部 分 が 強 く 反 射 しますので 北 西 の 森 林 地 帯 が 白 く 表 示 されています 霞 ヶ 浦 もはっきりと 写 っています バンド1 バンド4 13

ほかのバンドを 見 てみましょう(2/3) File > Open Image でほかのバンドを 表 示 してみます 下 の 左 の 画 像 は バンド5を 表 示 したも のです この 画 像 は 6 月 に 撮 影 されていますので 水 田 にはまだ 水 が 張 られています バンド5では この 水 田 が 黒 っぽく 表 示 されています 右 の 画 像 は バンド6を 表 示 したものです バンド6は 太 陽 光 の 反 射 ではなく 地 表 からの 熱 放 射 を 測 定 しています 森 林 地 帯 は 温 度 が 低 く 都 心 のまわりが 温 度 が 高 いのが 分 かります バンド5 バンド6 14

ほかのバンドを 見 てみましょう(3/3) 下 の 画 像 は 全 体 画 像 の 中 央 から 左 上 にある 渡 良 瀬 遊 水 地 のまわりを 拡 大 した 画 像 です 左 はバンド5の 拡 大 画 像 です 右 はバンド8の 拡 大 画 像 です バンド5の 分 解 能 は30mですが バ ンド8の 分 解 能 は15mです このため 拡 大 すると バンド5の 画 像 では 池 のふちがギザギザ になっています バンド5 バンド8 15

画 像 の 拡 大 タスクバーにある 大 きい 山 型 のアイコンを クリックすると 拡 大 された 画 像 が 表 示 さ れます 右 と 下 に 表 示 されるバーを 動 か し 見 たい 場 所 にもっていきます 小 さい 山 型 のアイコンをクリックすれば ズーム アウトします 右 の 画 像 は 関 東 平 野 で ハート 型 に 見 える 渡 良 瀬 遊 水 地 の 部 分 を 拡 大 しています ひとつのバンドの 画 像 は このように 白 か ら 黒 の 色 で 表 現 されています グレース ケールと 呼 ばれています 白 い 部 分 は 光 が 強 く 反 射 され 黒 い 部 分 は 反 射 が 小 さいことを 表 しています この 画 像 では 遊 水 池 や 水 田 からの 光 の 反 射 が 小 さい ことが 分 かります バンド5の 画 像 の 拡 大 図 16

衛 星 画 像 のカラー 合 成 白 黒 の 画 像 からある 程 度 の 情 報 を 得 られること が 分 かりましたが より 人 間 の 視 覚 に 訴 えるた めに 衛 星 画 像 をカラー 合 成 してみましょう コンピュータの 画 面 に 表 示 されるカラー 画 像 に は 多 彩 な 色 が 含 まれていますが これらはす べて 赤 緑 青 の3つの 色 を 合 わせることによっ て 作 られています( 光 の3 原 色 ) R( 赤 ) G( 緑 ) B( 青 )が3 原 色 です 2つの 色 が 重 なると Y( 黄 色 ) M(マゼンタ) C (シアン)が 表 現 されます バンド1の 画 像 バンド2の 画 像 バンド3の 画 像 地 球 観 測 衛 星 では 地 表 面 をいくつかのバンド に 分 けて 観 測 しています これらのなかから3 つのバンドを 選 んで 赤 緑 青 のチャンネル に 割 り 当 てて カラー 画 像 を 得 ています どの バンドをどのチャンネルに 割 り 当 てるかで い ろいろな 色 合 いのカラー 画 像 が 作 成 されます 青 に 割 り 当 て 緑 に 割 り 当 て 赤 に 割 り 当 て カラー 合 成 された 衛 星 画 像 17

カラー 画 像 の 作 成 File > Open Image をクリックすると 先 ほどの 画 面 が 現 れます 左 下 の Link to active image window にチェックを 入 れて バンド2を 選 択 します 同 様 に バンド3 バンド4 バンド5 バンド7を 開 き ます バンド7を 選 択 すると 次 のファイルを 開 く 画 面 が 現 れますので キャンセル で 抜 けます Processor > Display image をクリックします 右 下 の 画 面 が 現 れますので OK をクリック 下 のカラー 画 像 が 表 示 されます フォールスカラーです 18

カラー 画 像 の 表 示 前 スライドのカラー 画 像 は フォールスカラーと 呼 ばれ 赤 のチャンネルにバンド4を 緑 のチャ ンネルにバンド3を 青 のチャンネルにバンド2を 充 てています 植 生 からの 反 射 が 強 いところ が 赤 く 表 示 されますので 植 生 の 解 析 によく 使 われます ほかの 組 合 せを 行 ってみます Processor > Display Image を 選 択 します Channelsの 組 合 せの 欄 で Redに3 Greenに2 Blueに1を 充 てます 人 間 の 目 で 見 ているのと 同 じ 色 合 いで トゥルーカラーと 呼 ばれています 19

カラー 画 像 の 表 示 右 の 画 像 は Redにバンド3 Greenにバ ンド4 Blueにバンド2を 割 り 当 てていま す 植 物 からの 反 射 の 強 いバンド4を 緑 に 割 り 当 てていますので 植 物 が 緑 っぽく 見 えます ナチュラルカラーと 呼 ばれてい ます 20

画 像 の 切 り 出 し 最 初 のカラー 合 成 を 表 示 します この 画 像 は 関 東 平 野 全 域 を 表 示 していますので 部 分 を 切 り 出 します 十 字 のカーソルを 画 像 上 にもっていき 渡 良 瀬 遊 水 地 が 中 心 となるように マウス をドラッグします 矩 形 の 枠 が 表 示 されます Processor > Reformat > Change Image File Format を 選 択 します 表 示 された 画 面 で OK をクリックします ファイルの 名 前 を 付 ける 画 面 が 表 示 さ れますので watarase.tif の 名 前 を 付 けます 保 存 されたこのファイルをFile > Open Image で 表 示 させます 渡 良 瀬 の 遊 水 地 の 周 りを 数 本 の 川 が 流 れ それに 沿 い 植 物 が 生 えて 赤 く 反 射 させているのが 分 かります 21

画 像 分 類 カラー 画 像 を 使 って 分 類 を 行 ってみます Processor > Statistics を 選 択 すると 下 の 画 面 が 表 示 され ます そのまま OK をクリックすると 右 の Project 画 面 が 表 示 されます Polygon Enter にチェックを 入 れます この 画 像 で water, glass, city, paddy, golf, forest, factory の 分 類 を 行 ってみます 22

まず 遊 水 池 にカーソルをもっていきます 画 像 が 小 さい 場 合 は タスクバーにある 山 型 の アイコンをクリックし 拡 大 します 多 角 形 の 角 までカーソルをもっていき 左 クリックすると 直 線 が 引 かれます 多 角 形 を 描 き 最 後 にダブ ルクリックすると 図 形 が 確 定 されます 画 像 分 類 Project 画 面 の Add to List のボタンがアクティブになるの で クリックします 左 のパネルが 表 示 されますので Class の 欄 にwaterと 入 力 します 23

画 像 分 類 多 角 形 の 描 き 方 を 失 敗 した 場 合 一 旦 ダブルクリックして 多 角 形 を 完 成 させてから ほかの 場 所 に カーソルをもっていき クリックすれば 消 えます 同 じClassで 異 なるField を 追 加 したい 場 合 例 えば 川 をwaterに 追 加 したい 場 合 そこに 多 角 形 を 描 き Add to List をクリックし Class の 欄 から water を 選 択 します Classを 削 除 したい 場 合 Project パネルの Class を クリックすると 右 のパネルが 表 示 されます Classesの 欄 から 該 当 のClassを 選 択 し タスク バーの Edit > Cut Class を 選 択 すれば 消 えます Field の 場 合 も 同 様 です >Select ボタンを 押 せば もとの Project パネルに 戻 ります 24

画 像 分 類 下 の 画 像 のようにトレーニングエリアを 選 んでみました 分 類 した 場 所 の 輝 度 値 の 分 布 (ヒス トグラム)を 見 てみます Project パネルから >Classes をクリックし 真 ん 中 ほどにある 欄 か ら Histogram Classes を 選 択 します 右 下 のようなグラフが 表 示 されます 左 下 にある Change Channel をクリックすれば ほかのチャンネルでの 分 布 を 見 ることができます 極 端 に 重 なっていなければいいでしょう 25

トレーニングエリアを 評 価 してみます Processor > Classify を 選 択 します Update project statistics before continuing のメッセー ジが 表 示 されますので OKを 押 します 右 の 画 面 が 表 示 されますので OKボタンを 押 します Text Outputに 下 のような 結 果 が 表 示 されます 2 種 類 のAccuracy の 結 果 が 表 示 されます トー タルのピクセル 数 が4933で 対 角 線 に 分 類 さ れたピクセル 数 が4728で その 比 が 95.8%と なっています 画 像 分 類 Accuracyの 数 値 が 極 端 に 悪 け れば トレーニングエリアの 選 択 を 再 実 行 します 26

画 像 分 類 Processor > Classify の 画 面 で 右 中 ほどにある Disk file にチェックを 入 れます 名 前 を 付 ける 画 面 が 表 示 され ますので watarase.gis と 入 力 その 画 像 を 表 示 させま す Class の 名 前 の 前 にある 色 のボックスをダブルクリッ クするとパレットが 表 示 されますので 自 分 の 好 みの 色 を 選 択 します また シフトキーを 押 しながら カーソルを 凡 例 の 色 の 部 分 にもっていくと カーソルが 目 の 印 に 変 わ ります マウスの 左 ボタンのオン オフで 明 滅 します 画 像 を File > Save Image to GeoTIFF As を 選 択 し wataraseclassify.tif と 名 前 を 付 けて 保 存 します 27

画 像 分 類 Text Output に 各 Classの 面 積 が 計 算 されています ランドサット 画 像 は 1 ピクセルが 30m 30m= 900m 2 = 0.09 ha ですので それぞれのピクセル 数 に0.09を 掛 けて 面 積 を 求 めています このように 画 像 から 地 表 物 の 分 類 を 行 いましたが 実 際 には 現 地 に 行 って 分 類 が 合 っているかの 検 証 が 必 要 です 28

Google Earthに 貼 り 付 けてみよう 作 成 した 画 像 をGoogle Earthに 貼 り 付 けてみま す Google Earthを 立 ち 上 げます 渡 良 瀬 のあたり を 表 示 させます タスクバーから 追 加 > イメ ージオーバレイ を 選 択 します 右 上 の 画 面 が 現 れますので 渡 良 瀬 と 名 前 を 付 けます リン クで 先 ほど 保 存 した wataraseclassify.tif を 指 定 します 分 類 した 画 像 が 表 示 されます 上 の 画 面 の3 番 目 にある 透 過 度 のスライドを 左 のほうに 動 し Googleの 画 像 が 見 えるようにし ます 四 隅 や 中 央 の 十 字 を 使 い 位 置 大 きさ を 合 わせます Google Earthのサイドバーのお 気 に 入 りに 渡 良 瀬 が 登 録 されます 29