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SENTINEL衛星から高度情報抽
出
(全体概要)
溝口研究室 D3 阿川 真士
2020年2月3日(水)
1
目次
• 実施背景、説明準備
• 実験結果詳細の説明
• その他気になる点、注意点
• 今後の課題
2
背景
• 衛星は世界各国で沢山打ち上げられている。
• 衛星データは、海底油田調査、洪水被害調査、地震調査を始めとした様々
な分野で使われている。
• 交通網への応用を目的として、標高推定に関する衛星データ処理のイン
ターンを昨年行なった。
3
準備
4
理論面(用語等の説明)
標高
• 数値表層モデル(DSM:Digital Surface Model):
地表面とその上にある地物表面の標高からなる三次元データ。建物や樹木等の高さを含む。
• 数値地形モデル(DTM:Digital Terrain Model):
地表面の標高からなる三次元データ。建物や樹木等の高さを含まない。
• 数値標高モデル(DEM:Digital Elevation Model):
各種測量により計測した平面位置及び標高値を用いた三次元座標をデジタル表現したものの
総称。一般には DTM と同義。
5
標高(例)
• ACE30
• ASTER 1Sec GDEM
• CDEM
• GETASSE30
• SRTM 1Sec Grid
• SRTM 1Sec HGT: このページに掲載のものでは一番きめ細かい
• SRTM 3Sec
6
※ SRTMのDEMは北緯60度から南緯54度の範囲までしかな
い為、それ以外を分析したい場合には他のものを使用する。
合成開口レーダ(SAR)
• 雲や霧を貫通し昼夜を問わず観測の可能な合成開口レーダ(SAR)は、
1978年に打ち上げられた海洋観測衛星としては初のSEASAT-SAR以
来、最も重要で有用なセンサの一つとして衛星やスペースシャトル、航空
機に搭載され世界各国で利用されている。SAR技術の急速な発展に
伴って大量のSARデータが比較的自由に利用できるようになった反面、
これらのデータの解析技術と応用に関する基礎研究は後塵を拝している
状態である。(大内和夫著、リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎
(第二版)(2015)より引用。)
※2020年1月10日現在、約25機のSAR衛星がある。
• マイクロ波を地表面や海表面へ照射し、
その反射波をアンテナで受信する。
• 衛星自体が移動しながら同じ場所を何度も観測して、
感度や空間分解能を向上する。
• 悪天候や夜間でも計測可能である。
• 2時期の同軌道のデータを比較して、地形の3次元情報や、
表面の衛星方向への隆起や沈降を観測可能である
(干渉SAR解析;InSAR) 7
SARセンサーで取得されたデータの特徴
• 全天候型
• 観測地域が雲で覆われていてもデータを取得できる。
• 昼夜を問わずデータを取得できる。
• 周波数帯域の違いにより、目的に応じたデータが使える。
• 長い波長 → 都市部を対象とした調査での分析に使う。
• 短い波長 → 山間部を対象とし調査での分析に使う。
• 偏波の違いにより、目的に応じたデータが使える。
• HH/VV → ビルなど整った表面が多い地域の分析に使う。
• HV/VH → 森林など凹凸の大きい地域の分析に使う。
8
SAR搭載衛星一覧
国 運用状況 運用開始年 運用終了年 周波数帯 料金 参考URL(補足)
Radarsat Constellation Canadian ○ 2019 運用中 C 有料 https://en.wikipedia.org/wiki/RADARSAT_Constellation
TerraSAR-X 2 Germany ○ 2015 運用中 X 有料
科学・学術目的のデータ利用についてはDLRが窓口となり、
商用を含むその他のデータ利用については、Astrium GEOInformation Services社が販売権を獲得
(2013年07月25日時点)
https://www8.cao.go.jp/space/comittee/tyousa-dai3/siryou4.pdf
TerraSAR-HRWS Germany ○ 2018 運用中 X https://www.wmo-sat.info/oscar/satellites/view/638
COSMO-SkyMed Second Generation
1
Italy ○ 2019 2024 X
COSMO-SkyMed 1,2,3,4 Italy ○ 2007 もうすぐ X 有料 料金: http://www.nilim.go.jp/lab/bcg/siryou/tnn/tnn0760pdf/ks076007.pdf
SAOCOM-1A Argentina ○ 2018 2023 L https://www.wmo-sat.info/oscar/satellites/view/386
Paz Spein ○ 2018 運用中 X https://www.restec.or.jp/satellite/paz
TecSAR Israeli ○ 2008 運用中 X
https://www.restec.or.jp/satellite/tecsar
https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/tecsar
TecSAR2 Israeli △ 2014 運用中 X https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/tecsar
ALOS-2 Japan × 2014 2020年以降 L https://www.wmo-sat.info/oscar/satellites/view/6
Sentinel-1A Europe(ESA) ○
2014年04月03
日
2021年以降 C 無料
料金以外: https://www.wmo-sat.info/oscar/satellites/view/396
料金: https://sorabatake.jp/466/
Sentinel-1B Europe(ESA) ○
2016年04月25
日
2023年以降 C 無料
料金以外: https://www.wmo-sat.info/oscar/satellites/view/396
料金: https://sorabatake.jp/466/
→ 周波数帯と料金の観点からSentinel-1を選び、実験を行なった。 9
周波数帯一覧
Pバンド Lバンド Sバンド Cバンド Xバンド
観測周波数
(Hz)
0.25-0.5Hz 1-2Hz 2-4Hz 4-8Hz 8-12Hz
衛星例 Biomass
ALOS-2
SAOCOM
NISAR
NovaSAR
Kompsat
NISAR
Sentinel-1
Radarsat
TerraSAR
COSMO-
SkyMed
Paz
TecSAR
Pバンドなどの短い波長域について
• 解像度が粗い
• 透過性が大きい
• 多くの電力が必要。
• センサを小型しづらい。
Xバンドなどの長い波長域について
• 解像度が細かい。
• 透過性が小さい。
• 電力が少しで良い。
• センサを小型化しやすい。
10
SARが衛星データを取得する際に生じる誤差: 電磁波散乱
地上の地形の影響を受け電磁波散乱が以下の様に歪になる:
• 表面散乱(surface scattering)・・・(粗い面など)不規則で微細な凹凸が有る面に入射した際に、様々な
方向に屈折、反射する散乱過程
• 二回散乱(double bounce)・・・(地面と幹、道路と建物の壁など)直角構造によって二回反射する散乱
過程
• 体積散乱(volume scattering)・・・(絡み合った枝など)電磁波が媒質の境界面を通り片方の媒質から
他方の媒質に入射したとき、媒質の内部で引き起こされる散乱過程
11
左図出典:
産総研、AI向けクラウドABCIで処理した衛星のレーダー画像をカラー
化し公開 -地表面の状態に応じて色分けした画像を地球規模で作
成し、一目で理解可能に- :
https://bit.ly/2Kl9B5x
図 散乱モデルより。
SAR衛星データ取得上生じる誤差: 地形の倒れ込み
地上の地形により電磁波散乱が歪になり、観測対象の地形を衛星が誤認識する事があり、地形
の倒れ込みと言う:
• フォアショートニング(foreshortning)・・・高い建物や山などが実際の平面位置よりアンテナに
近い位置に表示される現象。
• レイオーバー(layover)・・・建物の壁や急斜面などでは上部の方が下部よりもアンテナに近くな
る為に、画像上で上下が反転し白く潰れる現象。
• レーダーシャドウ(radar shadow)・・・(山の裏側など)衛星から見えない場所では、電磁波の
照射源側と反対側の斜面が陰影部となる現象。
12
左図出典:
水野正樹, 神山嬢子, 江川真史, 佐藤匠, 蒲原潤一;“2偏波SAR画
像による大規模崩壊及び河道閉塞箇所の判読調査手法(案)” ;国土
交通省国土技術政策総合研究所;2014年6月:
https://bit.ly/361lLbQ
p7 図1.1.11より。
衛星画像に関する研究例
• 可視・近赤外域センサを搭載した衛星のキャリブレーションアルゴリズムの構築と評価(新井2019)
3次元の物体をカメラを用いて2次元の画像に撮影する時に生じる物体の歪みを補正する方法をキャリブレーションという。キャリブレーショ
ンはカメラやレンズの持つ特性パラメータからの計算によって行われる。ここでは、可視近赤外域センサの衛星画像のキャリブレーションに
ついて、衛星打ち上げ後の地表ターゲットを用いた絶対校正アルゴリズムの提案と評価が行われている。
( Kohei Arai e.t.c., “Method for Uncertainty Evaluation of Vicarious Calibration of Spaceborne Visible to Near Infrared
Radiometers”, International Journal of Advanced Computer Science and Applications, Jan 2019.)
• 統計量を用いた衛星画像の認識(西井1999)
土地被覆の種々の判別手法(例えば衛星データ内で道や森などの対象物を判定する方法)を評価する基準として、カッパ統計量が広く用い
られているが、これを比較基準として用いることは不適当であることを示し、さらにエントロピーに基づいた基準を提案し、その検定統計量を
提案している。
(Ryuei Nishii, Shojiro Tanaka, “Accuracy and Inaccuracy Assessments in Land-Cover Classification”, IEEE transactions
on geoscience and remote sensing, vol. 37, no. 1, Jan., 1999.)
13
SENTINEL-1取得データ関連の用語
• IW(Interferometric Wide)モード: 下図のような縦10km, 横25kmの赤長方形を一
単位として衛星が取得するデータ
• SLC(Single Look Complex)データ: RAWの衛星データからSNAPで加工できるよう
に処理されたデータ
• 1 Burst:下図の(10枚ある)最小の白長方形1つ
• 1 Subswath: 10枚あるBurstを集めて下図のようにできた白長方形1つ
14
15
インターフェログラム<INTERFEROGRAM;定義>
↑ インターフェログラム処理後
(2枚の入力した衛星データの位相差)
↑ インターフェログラム処理前
(2枚の衛星データ)
衛星画像による標高抽出に関する理論
標高ℎは赤四角の式で求まる。つまり、𝑅1,, 𝑅2, 𝐵, 𝛼 が必要であるが、
𝑅1,, 𝑅2 は 「(送信時刻-受信時刻)*光速」によって分かり、また、𝐵は経緯度、𝛼は高度から分かる。
16
ベースライン<定義>
上図赤丸の 𝐵𝐻 を垂直ベースライン(perpendicular baseline)と言う。
また、2枚の衛星データの取得日時差をテンポラルベースライン(temporal baseline)と言う。 17
標高抽出過程
18
1. 入力(2つの衛星データ読込(Coregistration))
2. 前処理(Pre-process;入力データの重ね合わせ等)
3. 干渉縞生成(InSAR処理)
4. 後処理(Post-process;標高情報を持つ位相の抽出な
ど)
5. 出力(標高マップ(kmz)、ラスター(csv, tiff等)、ベクトル
等)
19
標高抽出<データ処理面>
Europian Satellite Agency , InSAR Principles: Guidelines for SAR Interferometry
Processing and Interpretation (ESA TM-19) Part C InSAR processing: a
mathematical approach: https://bit.ly/3mfyIDW
より。
𝜑 = 𝜑DEM + 𝜑flat + 𝜑disp + 𝜑atm + 𝜑noise
𝜑 : インターフェログラム処理後の位相
𝜑DEM : 標高の情報を保有する位相
𝜑flat : 曲面上の歪みからくるノイズ(位相)
𝜑disp : 地殻変位の情報を保有する位相
𝜑atm: 大気中の水蒸気によるノイズ(位相)
𝜑noise : (送受信する電磁波の散乱や衛星データの観測角度の違いなどに由
来する)上記以外のノイズ(位相)
実験環境<計算機スペックと通信設備>
• [インターン]
• [1] リモート: Amazon Web Service (CentOS 64bit バージョン7; RAM128GB; ストレージ不明)
• [2] ローカル: Windows10 64bit; RAM4GB; ストレージ100GB
• 通信環境: 有線LAN (200-300Mbps)
• 使用ソフト: Sentinel Application Platform(SNAP) バージョン7, snaphu, VNC server, VNC viewer
• [今回]
• [3] macOS バージョン10; CPU 3.6GHz Quad-Core Intel Core i7; RAM32GB 2400MHz DDR4;
ストレージ1TB
• [4] macOS バージョン11; CPU 3.1GHz Dual-Core Intel Core i7; RAM16GB 1867MHz DDR3;
ストレージ1TB
• 通信環境: Wi-Fi (1Gbps)
• 使用ソフト: Sentinel Application Platform(SNAP) バージョン8
20
準備
21
標高抽出における
SNAP各コマンドの目的や役割
準備: 標高抽出におけるSNAP各コマンドの目的や役割
• Read: ダウンロードした衛星データを読込。
• S-1 TOPSAR Split: 衛星データの分析範囲を選択する。
• Apply Orbit File: 読み込んだデータを衛星が取得していた時の衛星位置情報を付加
する。読み込んだ衛星データとの相性が悪い場合にはOrbit State Vectorsで
Sentinel Restitutedを選択して実行する。
• S-1 Back-Geocoding: このステップでダウンロードするDEM、及び、直前に付加した
衛星位置情報を基に、データ群を合わせて1つにする。(SRTMのDEMは北緯60度か
ら南緯54度の範囲までしかない為、それ以外を分析したい場合には他のものを使用す
る。)
• S-1 ESD(Enhanced Spectral Diversity): 直前で作成したデータに含まれている強
度を上げる。但し、2個以上のburstを分析する時のみで構わない。
22
準備: 標高抽出におけるSNAP各機能の目的や役割
• Interferogram:
Subtract flat-earth phaseを選択して、地球が球体である事からくる位相 𝜙𝑓𝑙𝑎𝑡 を元の位相 𝜙 から除
去する。
Subtract topographic phaseは選択しない。
Include coherence estimationを選択してcoherence band(=coherenceを各地点毎に表示したも
の)を作る。
• S-1TOPS Deburst: burst間の繋ぎ目を取り除く。
• Goldstein Phase Filtering: Goldstein法を用いてデータの強度を上げる。Goldstein法とは
高速フーリエ変換(FFT)によって、ノイズに対する信号の比を上げる方法である。
• Subset(Specify Product Subset): coregistrationした時に発生する重なり合わない部分は
空っぽのデータとして存在するが、この空白(画面上では黄緑色に表示される)を除去する。
• Unwrapping: データの持つ位相の数値を 0 から 2𝜋 の間に収まる様に 2𝜋 の整数倍を差し
引いて変換する。そうする事で後に標高が見やすくなる。
23
準備: 標高抽出におけるSNAP各機能の目的や役割
• Phase to Elevation: 位相情報から標高情報を作成する。
• Range Doppler Terrain Correction
• 倒れ込みによるノイズを除去する。
• Output bands for の箇所でDEMを選択すると、このステップで使用したDEMが“elevation”のファ
イル名で出力される。
• “elevation_VV”の名前のファイルはSentinel-1データから作成したDEMである。
• Write
• KMZやGeoTiff等様々なファイル形式で出力可能。
• KMZはGoogle Earthで見られる。
• GeoTiffはGISで見られる。
24
実験<推定精度・・・成功4件,失敗32件 >
• Andreas Braun. January 2020. “DEM generation with Sentinel-1(Workflow and
challenges)”. Europian Satellite Agency: https://bit.ly/2J9kC9J .
• 日本(関東、北部九州、道東)、トルコ、イギリス、K2(山)、中国を対象に下図の方法で分析。
25
YOUTUBEによる操作説明<私の成果物>
SNAPによる標高生成の行い方(プレイリストとして纏めた):
https://youtube.com/playlist?list=PL0wTNS5LaboLAVaSZbr_ob2TwZZWud
or7
SNAPによる標高生成(1/4)<衛星データ読込(Read)からSnaphuエクスポートまで>:
https://youtu.be/F6ZsQUs5enM
SNAPによる標高生成(2/4)<Snaphuアンラッピング>: https://youtu.be/MsYcEbkt3eo
SNAPによる標高生成(3/4)<Snaphuインポートからkmzファイル出力(Write)まで>:
https://youtu.be/xxsZEzOffTM
SNAPによる標高生成(4/4)<出力kmzファイルの凡例調整> :
https://youtu.be/WHT0Ag5T6Bc
26
•Docs.com
•Docs.com
27
実験結果一覧
実験No. 場所 衛星データ対 実験成功 Bperp(m)
Btemp
(days)
補足
JP1 関東南東部 A,A × 25442.25 12 二色画像。但し、海岸線は大体”認識”しているようである。
JP2 関東南東部 B,B × 86.66 12 虹色画像。但し、北東の山間部を大体”認識”しているようである。
JP3 関東北西部 A,A △ 21.16 12 関東平野と関東山地の境は大体”認識”している。
JP4 関東北西部 B,B × 89.03 12 標高の凡例を上手く設定し直しても誤差の原因が分かりそうにもない。
JP5 関東中央部
A,A
4th-5th
burst
× 25272.36 12
虹色画像。標高の凡例を上手く設定し直しても誤差の原因が分かりそ
うにもない。
JP6 関東中央部
A,A
5th-6th
burst
× 93.47 12 標高の凡例を上手く設定し直しても誤差の原因が分かりそうにもない。
JP7 関東中央部 B,B × 89.77 12
虹色画像。標高の凡例を上手く設定し直しても誤差の原因が分かりそ
うにもない。
JP8 関東中央部 A,A × 163.90 420
全体的に推定精度は悪いが、縞模様が所々にあるので何かしらの地
形は認識している様に見える。
JP9 関東中央部 B,B × 173.22 24
虹色画像。北西部分に何かしらの推定が少し見られるが他は凡例を
上手く再設定する等しても誤差の原因が分かりそうにもない。
JP10 道東 A,A × 8.57 12
虹色画像。北東部分は標高が高いのに低標高と推定されている。何を
しても誤差の原因が分かりそうにもない。
JP11 道東 B,B × 73.82 12
虹色画像。東部に山がある様に推定されているが実際には低地の湿
原である。
JP12 九州北西部 A,A × 14.68 12
青と白の二色画像。その為、標高の凡例を上手く設定し直せばより良
い標高マップが得られそうである。
JP13 筑後平野 B,B × 166.83 12
虹色画像。標高の凡例を上手く設定し直しても誤差の原因が分かりそ
うにもない。
28
実験地一覧(1/3) <日本のみ>
※「虹色画像」とは、
ある方角からその真
反対の方角に向かっ
て(高さの凡例に従っ
て)虹の様に塗られた
下図の様な画像の事
である。
↓
実験
No. 場所 衛星データ対 実験成功 Bperp(m)
Btemp
(days)
補足
U1
ウルムチ
(中華人民共和国)
A,A × 112.22 12
大体単色画像。但し、西部から東部にかけて若干の虹
色画像の傾向が見られる。
U2
ウルムチ
(中華人民共和国)
B,B △ 99.7 24
山の峰は”認識”しており、目盛りの設定を変えて凡例を
作り直せば誤差の発生原因が分かりそうである。
AK1
カブール
(アフガニスタン)
A,A ○ 57.57 12
平野部の推定精度は悪いが、山については”認識”して
いる様であり推定精度が高い。
K11
K2(山)
(ネパール)
A,A ◎ 58.34 12
誤った推定が南側部分に見られるが、山だけでなく谷
も”認識”している様である。
K12
K2(山)
(ネパール)
B,B △ 9.39 12
低精度ながらも、山だけでなく谷も”認識”している様で
ある。
K13
K2(山)
(ネパール)
A,A × 180.56 24
大体単色画像。但し、一部に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
UK1 ロンドン北半分 A,A × 79.96 12
大体単色画像。但し、西部から東部にかけて若干の虹
色画像の傾向が見られる。
UK2 ロンドン南半分 A,A × 79.43 12
大体単色画像。但し、西部から東部にかけて若干の虹
色画像の傾向が見られる。
UK3 ロンドン B,B × 46.49 12
低標高地域(青色部分)を高標高地域(黄色部分)と
誤って推定している。
UK4 ロンドン B,A × 16.38 6
二色画像。但し、南東から北西にかけて白い部分があり
他の二色画像とは種類が異なる。
UK5 スコットランド西部 A,A × 79.43 12
大体虹色画像。但し、一部の山についてその峰は”認
識”している様である。
UK6 スコットランド西部 B,B × 36.96 12
二色画像ではあるが、海面と陸地は”区別”できている
様である。
UK7 スコットランド西部 B,A × 129.22 6
大体虹色画像。但し、西側にある島嶼部の標高は推定
している様である。
29
実験地一覧(2/3) <海外(トルコ以外)のみ>
※「虹色画像」とは、
ある方角からその真反対の
方角に向かって(高さの凡例
に従って)虹の様に塗られた
下図の様な画像の事である。
↓
実験
No. 場所 衛星データ対 実験成功 Bperp(m)
Btemp
(days)
補足
T1 トルコ東部 A,A × 35.48 12
大体単色画像。但し、所々に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
T2 トルコ東部 B,B × 95.32 12
大体単色画像。但し、所々に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
T3 トルコ東部 B,A ◎ 3449.61 6
若干の誤差が見られる(白色や青色部分の誤推定)が、
全体的に細かく高精度に推定している。
T4 トルコ東部 B,A ○ 103.25 6
実際の地形から一律に地盤沈下した様な推定結果であ
る。
T5 トルコ東部 B,A × 17.25 6
大体単色画像。但し、所々に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
T6 トルコ東部 B,A × 19.19 6
大体単色画像。但し、所々に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
T7 トルコ東部 B,A × 39.62 6
大体単色画像。但し、所々に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
T8 トルコ東部 B,A × 306.50 1956
虹色画像。標高の凡例を上手く再設定する等しても誤差
の原因が分かりそうにもない。
T9 トルコ東部 B,A × 153.08 78
単色画像。標高の凡例を上手く再設定する等しても誤差
の原因が分かりそうにもない。
T10 トルコ東部 B,B × 150.97 384
大体単色画像。但し、所々に異なる色も見られる為、何
かしらの地形は認識している様に見える。
30
実験地一覧(3/3)<トルコのみ>
※「虹色画像」とは、
ある方角からその真反対の
方角に向かって(高さの凡例
に従って)虹の様に塗られた
下図の様な画像の事である。
↓
31
実験結果詳細(抜粋)
JP3実験結果: 関東北西部の標高マップ比較(S1A, S1A)
32
使用データ(マスター):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200813T204327_20200813T204355_033893_03EE54_F213
使用データ(スレーヴ):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200825T204328_20200825T204356_034068_03F48D_FECD
使用地域: IW3内の1から3までのburst
↑ 推定結果 ↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
↑ 凡例
© Google Earth
JP3実験結果: 関東北西部の標高マップ比較(S1A, S1A)
33
↑ phase画像 (interferogram直後)
↑ Bperp=21.16 (m)であり、 150-300に
収まっておらず分析には不向きとされてい
る。
しかし、Btemp=12(days)であり、私見で
はあるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
←
coherence
(縦軸)とピク
セル数(横軸)
のグラフ
(高コヒーレン
スのピクセル
が少なく分析
には不適)
U2実験結果: ウルムチの標高マップ比較(S1B, S1B)
34
使用データ(マスター):
S1B_IW_SLC__1SDV_20190601T001431_20190601T001458_016495_01F0C0_60FF
使用データ(スレーヴ):
S1B_IW_SLC__1SDV_20190625T001432_20190625T001459_016845_01FB24_50A1
使用地域: IW3内の1から4までのburst
↑ 推定結果 ↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
↑ 凡例
© Google Earth
結果: ウルムチの標高マップ比較(S1B, S1B)
35
↑ phase画像 (interferogram直後)
← coherence
(縦軸)とピクセ
ル数(横軸)の
グラフ
(高コヒーレンス
のピクセルが少
なく分析には不
適)
↑ Bperp=99.70 (m)であり、 150-300に
収まっておらず分析には不向きとされてい
る。
しかし、Btemp=24(days)であり、私見で
はあるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
AK1実験結果: カブール(アフガニスタン)の標高マップ比較(S1A,
S1A)
36
使用データ(マスター):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200804T012332_20200804T012359_033750_03E96D_F4A9
使用データ(スレーヴ):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200816T012332_20200816T012359_033925_03EF77_739E
使用地域: IW3内の1から4までのburst
↑ 推定結果 ↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
↑ 凡例
© Google Earth
結果:カブール(アフガニスタン)の標高マップ比較(S1A, S1A)
37
↑ phase画像 (interferogram直後)
← coherence
(縦軸)とピクセ
ル数(横軸)の
グラフ
(高コヒーレンス
のピクセルが極
めて多く分析に
とても適してい
る)
↑ Bperp=57.57 (m)であり、 150-300に
収まっておらず分析には不向きとされてい
る。
しかし、Btemp=12(days)であり、私見で
はあるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
38
K2(山)実験結果集
K11実験結果: K2の標高マップ比較(S1A, S1A)
39
使用データ(マスター):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200905T125714_20200905T125741_034224_03FA09_BE9B
使用データ(スレーヴ):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200917T125715_20200917T125742_034399_040028_2B71
使用地域: IW3内の6から8までのburst
↑ 推定結果 ↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
↑ 凡例
© Google Earth
結果: K2の標高マップ比較(S1A, S1A)
40
↑ phase画像 (interferogram直後)
← coherence
(縦軸)とピクセ
ル数(横軸)の
グラフ
(高コヒーレンス
のピクセルが少
なく分析には不
適)
↑ Bperp=58.34 (m)であり、 150-300に
収まっておらず分析には不向きとされてい
る。
しかし、Btemp=12(days)であり、私見で
はあるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
K12実験結果: K2の標高マップ比較(S1B, S1B)
41
使用データ(マスター):
S1B_IW_SLC__1SDV_20200831T005747_20200831T005814_023160_02BF9D_D34F
使用地域: IW1内の4から6までのburst
使用データ(スレーヴ):
S1B_IW_SLC__1SDV_20200912T005739_20200912T005806_023335_02C515_6462
使用地域: IW1内の7から9までのburst
↑ 推定結果 ↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
↑ 凡例
© Google Earth
結果: K2の標高マップ比較(S1B, S1B)
42
↑ phase画像 (interferogram直後)
← coherence
(縦軸)とピクセ
ル数(横軸)の
グラフ
(高コヒーレンス
のピクセルが少
なく分析には不
適)
↑ Bperp=9.39 (m)であり、 150-300に
収まっておらず分析には不向きとされてい
る。
しかし、Btemp=12(days)であり、私見で
はあるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
T3実験結果: トルコ東部の標高マップ比較(S1B, S1A)
43
使用データ(マスター):
S1B_IW_SLC__1SDV_20200720T032454_20200720T032521_022549_02ACC1_3E23
使用地域: IW2内の3から5までのburst
使用データ(スレーヴ):
S1A_IW_SLC__1SDV_20200726T032540_20200726T032607_033620_03E582_674D
使用地域: IW2内の1から3までのburst
↑ 推定結果 ↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
↑ 凡例
© Google Earth
T3実験結果: トルコ東部の標高マップ比較(S1B, S1A)
44
↑ phase画像 (interferogram直後)
← coherence
(縦軸)とピクセ
ル数(横軸)の
グラフ
(高コヒーレンス
のピクセルが極
めて多く分析に
とても適してい
る)
↑ Bperp=3449.61(m)であり、 150-300
に収まっておらず分析には不向きとされて
いる。
しかし、Btemp=6(days)であり、私見では
あるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
T4実験結果: トルコ東部の標高マップ比較(S1B, S1A)
45
使用データ(マスター):
S1A_IW_SLC__1SDV_20201123T032543_20201123T032610_035370_0421FF_5236
使用地域: IW2内の1から3までのburst
使用データ(スレーヴ):
S1B_IW_SLC__1SDV_20201129T032457_20201129T032524_024474_02E8B9_9D28
使用地域: IW2内の3から5までのburst
推定結果
(凡例を
実際の地形
に合わせた
時) →
↑ 実際の地形(SRTM 1Sec HGT)
© Google Earth
推定結果
(標高マップを
見やすくする
ように、凡例を
合わせた時) →
T4実験結果:トルコ東部の標高マップ比較(S1B, S1A)
46
↑ phase画像 (interferogram直後)
← coherence
(縦軸)とピクセ
ル数(横軸)の
グラフ
(高コヒーレンス
のピクセルが極
めて多く分析に
とても適してい
る)
↑ Bperp=103.25 (m)であり、 150-300
に収まっておらず分析には不向きとされて
いる。
しかし、Btemp=6(days)であり、私見では
あるが分析に向いていると言える。
↑ coherence画像(interferogram直後)
その他に気になる点1
一括処理の為のGraph builder(下図)が使いづらい。
→ Mac上・・・実行はおろかグラフ作成すら不可。
→ Windows上・・・実行は厳しいがグラフ作成は可能。
47
その他に気になる点2
48
計算機スペック等のページの[3]の計算機のOSをアップグレード後、データ処理する際に下図のように複数ウイン
ドウでSNAPが開くようになる。これを解消したい。(SNAPが動かなくなる為。)
SNAPで実験する際の注意点
• RAM16GB以上(→8GBや4GBでは、ソフトは起動してもデータ処理できません
)
• 太い通信環境が必要(←衛星データは、4-5GB/1塊)
• 実験実施日時以降に再起動した際に機械が動かなくなる場合がありますが、気に
しないで下さい
• EPA補正不可の為、2015年3月31日以前に撮影されたデータは使えません
• SNAPの各操作コマンドが収容されている場所はSNAPツールバーの[Help]で探索でき
る
49
[再掲部分有]データダウンロードのURLと方法動画
• SNAP: http://step.esa.int/main/download/snap-download/
• snaphu: https://web.stanford.edu/group/radar/softwareandlinks/sw/snaphu/
• 衛星データ(※いずれもアカウント登録必須)
• ESA: https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home
• ASF: https://search.asf.alaska.edu/#/
• ONDA: https://catalogue.onda-dias.eu/catalogue/
• データダウンロード方法: https://youtu.be/AFXfh7zCBxY
50
データダウンロードの際の画面1
51
↑ https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home へアクセスした直後
データダウンロードの際の画面2
52
↑ マウスやタッチパッドで右ボタンを押しながら千葉県銚子市銚子岬付近を選択した直後
データダウンロードの際の画面3
53
↑ 左上の赤丸の中にある「三」の字のようなボタンを押して条件を指定した直後
データダウンロードの際の画面4
54
↑ 「データダウンロードの際の画面3」で黄色の丸の中にある虫眼鏡ボタンを押した直後
データダウンロードの際の画面5
55
↑ 「データダウンロードの際の画面4」から縮尺を小さくして日本列島を全て表示した直後
[再掲部分有]標高生成参考動画
• 標高生成の為のソフト操作に関する参考動画: https://youtu.be/7w_-deMSRTs
• Seintinel関連の最新情報(トラブルシューティング等)が掲示板形式で掲載されている<質問や返信の
書き込みにはアカウント登録必須>: https://forum.step.esa.int/
• Andreas Braun. January 2020. “DEM generation with Sentinel-1(Workflow and
challenges)”. Europian Satellite Agency: https://bit.ly/2J9kC9J
56
実験で使用する際に読み込ませるデータの形式
• “dim”拡張子のデータを読み込ませる
• それ以外の場合は臨機応変に対応する(例: Unwrapping直後のImport実施の際に
Unwrapped Phaseを読み込ませるときには、 “img”拡張子のデータを読み込ませ
る)
57
COHERENCE画像の見方
• Coherence画像において、より黒い部分はcoherence値が低く、より白い部分は
coherence値が高い
• また、(Phase画像もそうだが)画像は左右反転している
58
↑ coherence画像(トルコ東部(S1B,S1A)から借用) ↑ coherence画像(道東(S1A,S1A)から借用)
ベースラインのSNAPでの取り方
• [Radar] > [Interferometric] > [InSAR Stack Overview] を選択すると下記の画面
が表示される
• 引き続き下図で、青丸(Bperp[m])が垂直ベースライン、紫丸(Btemp[days])がテンポ
ラルベースラインの値である
59
ベースラインからデータペアを選ぶ方法
• https://baseline.asf.alaska.edu/#/ に入ってデータ名をサイトの検索
窓に入力すると右下に(横軸がテンポラルベースライン、縦軸がパーペン
ディキュラーベースライン、となっている)衛星データの散布図が表示される
• その散布図の点をカーソルで当てると衛星データのデータ名が表示される
• 以上から求めるデータを見つけられる
60
衛星データの選び方
• 縦方向は良い。(つまり、左図の青四角と橙四角の様な組合せや右図の黒四角同
士の組合せは実験可能。)
• 上記以外は厳しい。(つまり、右図において、「黒四角と赤四角」、「黒四角と青四
角」、「赤四角と青四角」の様な組合せは実験不可。)
→原因不明だが、少なくとも自分で実証済であり他でも同様の意見を確認済。
61
参考資料(1/5): ダウンロード先
• SNAP: http://step.esa.int/main/download/snap-download/
• snaphu: https://web.stanford.edu/group/radar/softwareandlinks/sw/snaphu/
• 衛星データ<※いずれもアカウント登録が必要>
• ESA: https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home
• ASF: https://search.asf.alaska.edu/#/
• ONDA: https://catalogue.onda-dias.eu/catalogue/
62
参考資料[YOUTUBEや掲示板]
• 成功例
• [1] NASA ARSET: Generating a Digital Elevation Model (DEM), Part 3/3 ; NASA Video ;
https://youtu.be/9PbFbHqRufQ
• [2] HowTo Download Sentinel Image From Esa And Create DEM ; agnes moningkey ;
https://youtu.be/SOQQMX-Jkzo
• [3] DEM Creation from Sentinel 1 Imagery using SAR Interferometry Approach ; GEO 2004 ;
https://youtu.be/si9iCSe62lU
• 失敗例: [4] creating DEM with Sentinel-1 datasets in SNAP ; MrGIS ; https://youtu.be/7w_-
deMSRTs
• Pythonで動かす際の参考になりそうなもの
RUS webinar: Processing Copernicus data in Python using snappy - PY01 ; RUS Copernicus
Training ; https://youtu.be/PiU68g3WRIY
• Seintinel関連の情報が掲示板形式で掲載されている<質問等の書き込みにはアカウント登録必須>:
https://forum.step.esa.int/
63
参考資料(3/5)
• Brian Lee Curless. “New methods for surface reconstruction from range
images”, Stanford University, pp.78-167, June 1997.
• Kohei Arai et.al. “Method for Uncertainty Evaluation of Vicarious Calibration of
Spaceborne Visible to Near Infrared Radiometers”, International Journal of
Advanced Computer Science and Applications, Jan 2019.
• 北海道・雪原域を用いた可視近赤外域センサのReflectance-Based Method による放射
輝度軌道上絶対校正、日本リモートセンシング学会誌, vol.18, no.1, pp12-31, 1998.
• Ryuei Nishii; Shojiro Tanaka. “Accuracy and Inaccuracy Assessments in Land-
Cover Classification”, IEEE transactions on geoscience and remote sensing, vol.
37, no. 1, Jan., 1999.
• 今村彰太、“三角形マーカーによるカメラキャリブレーションの簡易化”、三次元幾何モデリン
グ評価手法の提案とソフトウェア開発、九州大学IMI短期共同研究、2017年9月5日.
64
参考資料(4/5)
a) Ian G. Cumming, Frank H. Wong. “Digital Processing of Synthetic Aperture
Radar: Algorithms and Implementation”, Artech House, 2005.
b) John C. Curlander, Robert N. McDonough. “Synthetic Aperture Radar: Systems
and Signal Processing”, Wiley-Interscience, 1991.
c) 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、東京電機大学出版局、
2009.
d) 標高抽出の為のSNAP操作方法(阿川真士): v_fin_elev_extr_SNAP_09Dec2019.xlsx
(CentOS向けだが、他のOSでも同じ。)
e) 衛星データ処理に関する資料集(溝口佳寛): 20191211.pdf
f) Andreas Braun. January 2020. “DEM generation with Sentinel-1(Workflow and
challenges)”. Europian Satellite Agency: https://bit.ly/2J9kC9J
65
参考資料(5/5)
• 水野正樹, 神山嬢子, 江川真史, 佐藤匠, 蒲原潤一;“2偏波SAR画像による大規模崩壊及び
河道閉塞箇所の判読調査手法(案)” ;国土交通省国土技術政策総合研究所;2014年6月:
https://bit.ly/361lLbQ
• Roland Buergmann, Paul A. Rosen , Eric J. Fielding. “Synthetic aperture radar
interferometry to measure earth’s surface topography and its deformation”.
Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000. 28:169–209 : https://bit.ly/3pV94Ya
• RUS Copernicus , TRAINING KIT – LAND06 URBAN CLASSIFICATION WITH
SENTINEL-1 Case Study: Germany, 2018: https://bit.ly/34eQUra
• Europian Satellite Agency , InSAR Principles: Guidelines for SAR Interferometry
Processing and Interpretation (ESA TM-19) Part C InSAR processing: a
mathematical approach: https://bit.ly/3mfyIDW
66
要約
• 実験のために必要な2種類のデータの選び方について整理した。
• 日本を対象とした実験はいずれも不正確な結果に終わったが、トルコやK2を対象とし
た実験では高精度な結果が得られた。
← 具体的には、植生地域、及び、谷などの一部の非植生地域では不正確な標高生成
に終わったものの、氷山、都市部、砂漠といった一部の非植生地域では高精度な標高
生成結果が得られた。
• 日本を対象とした実験でパラメータの調整で正確な結果が得られるかは分かっていな
い。
67
今後の課題(1/2)
• 各イメージデータに含まれるコヒーレンスの平均値と中央値、及び、 Off-nadir角𝜃_𝑖
の出し方。
← 出している論文は発見した為、やり方は必ずある。また、Off-nadir角の取り方を変
えれば今後の抽出精度向上に繋がりうるかもしれない。
• 標高生成における適正なBperp値とBtemp値の値の範囲の決定。
←参考資料(4/5)[f]にあるBraunの記事( https://bit.ly/2J9kC9J )によれば
150(m)から300(m)がBperp値の適正値である旨の記述があるが、実験No.11の筑
後平野での実験に見られるように反例が見られた。この問題の解決により、標高生成
精度の不正確さがデータのどの様な取り方によるものかという原因が分かりうる。
68
今後の課題(2/2)
• 一連の標高生成を自動化。
← 現状ではSNAPの各ステップを逐次的に手動で実行しており、実験に長時間要する
原因となっている。この機能をGUIで既に実装済ではあるが、実際に操作すると画面が
固まりソフトの強制終了を要する。或いはPythonでアルゴリズムを組めば問題が解決
されるかもしれない。
• 衛星データの部分的な使用。
← 現状では1バーストが最小単位でありこのままでは微視的な推測が困難である。
SNAPの”Subset”機能を使い経緯度を指定すれば理論上は実行可能であるが、計算
機のメモリ不足等の理由により今回は実行不可だった。
69

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Notes de l'éditeur

  1. 完成
  2. 完成
  3. 完成
  4. 完成
  5. 完成
  6. 完成
  7. トルコの画像を借用。
  8. トルコの画像を借用。
  9. トルコの画像を借用。