JP6889993B2 - 地表変状可視化装置及び地表変状可視化プログラム - Google Patents

Description

本発明は、地表変状可視化装置及び地表変状可視化プログラムに関する。

合成開口レーダー（ＳＡＲ Ｓynthetic Ａperture Ｒadar）は、人工衛星等に搭載され、地表面に向けて電波（マイクロ波パルス）を発射し、その反射波を観測して地表面の形状等を測定する。このようなＳＡＲによる観測を、地表面の同じ場所に対して２回以上行い、その差をとる（上記反射波の干渉縞を生成する）と、地表面の動きを詳細にとらえることができる（干渉ＳＡＲ）。

上記干渉ＳＡＲによれば、観測対象の時間的変化を検出する（下記特許文献１参照）ことができるとともに、取得した上記反射波から相関が低い領域を抽出して低相関領域画像を生成することもできる。このような低相関領域には、地震発生時に地表面に発生した断層による変位、河川、地すべり、液状化、盛土崩壊等が含まれる。これらの場所では、河川を除いて地震等の前後における地表面の状態が大きく変化しているので、反射波間の干渉性が低下するからである（下記非特許文献１参照）。また、河川の場合は、水面の状態が常に変動しているので、元々反射波の干渉性が低く、低相関領域に含まれる。

例えば、下記非特許文献２には、干渉ＳＡＲ画像（干渉縞画像）と３時期コヒーレンス画像（低相関領域画像）とから断層の位置を示そうとしている。しかし、３時期コヒーレンス画像には、上述した通り、断層による変位の他に河川、あるいは地すべり、液状化、盛土崩壊等の地域も含まれるので、干渉縞画像とコヒーレンス画像の重ね合わせを行っていない非特許文献２により断層による変位を抽出することは困難である。

特開２００６-３３０２号公報

伊藤陽介・細川直史（2002）干渉SARデータを用いた地震被害度推定モデル，電気学会論文誌Ｃ（電子・情報・システム部門誌，122，4，617-623） 石原光則・夏秋嶺・大木真人・田殿武雄・本岡毅・永井裕人・鈴木新一(2016)地球観測衛星による熊本地震の研究観測対応，日本リモートセンシング学会誌，36，3，204．

本発明の目的は、干渉ＳＡＲ画像を使用して、断層による変位、地すべり、液状化、盛土崩壊等の地域を明瞭に抽出できる地表変状可視化装置及び地表変状可視化プログラムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、地表変状可視化装置であって、異なる時刻にレーダ装置により取得された観測対象である地表の時系列画像データから干渉縞画像を生成する干渉縞画像生成手段と、前記時系列画像データから、低干渉性領域を抽出する低干渉性領域抽出手段と、前記干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを重畳する重畳手段と、前記重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。

上記重畳手段は、前記干渉縞画像と前記低干渉性領域の画像と地形の状態を表す地形表現図とを重畳し、前記表示手段が、前記重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像と地形表現図とを表示してもよい。

また、上記地形表現図は傾斜量図であるのが好適である。

また、本発明の他の実施形態は、地表変状可視化プログラムであって、コンピュータを、異なる時刻にレーダ装置により取得された観測対象である地表の時系列画像データから干渉縞画像を生成する干渉縞画像生成手段、前記時系列画像データから、低干渉性領域を抽出する低干渉性領域抽出手段、前記干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを重畳する重畳手段、前記重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを表示する表示手段、として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、干渉ＳＡＲ画像を使用して、断層による変位、地すべり、液状化、盛土崩壊等の地域を明瞭に抽出できる。

実施形態にかかる地表変状可視化装置を使用した観測対象である地表の変状抽出システムの一実施形態の構成例を示す図である。 実施形態にかかる地表変状可視化装置の例の機能ブロック図である。 実施形態にかかる表示制御部が表示装置に表示する重畳画像の例を示す図である。 地形表現図として傾斜量図を使用し、干渉縞画像と低干渉性領域の画像とともに重畳した例を示す図である。 実施形態にかかる地表変状可視化装置の動作例のフローを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態にかかる地表変状可視化装置を使用した、観測対象である地表の変状抽出システムの構成例が示される。図１において、人工衛星１０１に搭載された合成開口レーダ（ＳＡＲ）等のレーダ装置により、地表の所望範囲である観測対象のレーダ画像データを取得し、このレーダ画像データを本実施形態の地表変状可視化装置１０２に送信する。地表変状可視化装置１０２では、アンテナ１０３を介して受信したレーダ画像データを処理して観測対象である地表の変状を解析する。この場合のレーダ画像データは、異なる時刻にレーダ装置により取得されたレーダ画像データ（以後、時系列画像データという）となっている。また、地表変状可視化装置１０２は、例えばコンピュータ上で所定のプログラムを動作させることにより実現することができる。

なお、上記人工衛星１０１の数は１基に限らず、同一の撮影仕様である複数の人工衛星であってもよい。また、上記レーダ装置は、人工衛星１０１の他、航空機に搭載してもよい。

図２には、実施形態にかかる地表変状可視化装置の例の機能ブロック図が示される。図２において、地表変状可視化装置は、衛星データ取得部１０、干渉縞画像生成部１２、低干渉性領域抽出部１４、地形表現図取得部１６、重畳部１８、表示制御部２０、通信部２２、記憶部２４及びＣＰＵ２６を含んで構成されている。上記地表変状可視化装置は、ＣＰＵ２６、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ、Ｉ／Ｏ、通信インターフェース等を備え、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されており、上記各機能は、例えばＣＰＵ２６とＣＰＵ２６の処理動作を制御するプログラムとにより実現される。

衛星データ取得部１０は、人工衛星１０１から送信され、アンテナ１０３により受信された、上記観測対象である地表のレーダ画像データを取得し、記憶部２４に記憶する。この場合のアンテナ１０３は、本実施形態の通信部２２の一部を構成する。また、上記レーダ画像データは、上述したように、異なる時刻、例えば地震等の災害の発生前後に取得されたレーダ画像データ（時系列画像データ）である。このレーダ画像データには、地表からの反射波の位相の情報が含まれている。

干渉縞画像生成部１２は、上記異なる時刻にレーダ装置により取得された観測対象である地表の時系列画像データを記憶部２４から読み出し、干渉縞画像を生成する。生成した干渉縞画像は、記憶部２４に記憶させる。

ここで、干渉縞画像は、上記時系列画像データ間（取得時刻が異なるレーダ画像データ間）の位相差に基づいて、従来公知の方法により生成される。なお、位相差は、地震等の災害その他の理由により、地表の状態が変化した場合に、その変化が反射波に影響することにより生じるものである。例えば、地震により地表の地物の位置がずれた場合等に、当該地震の前後のレーダ画像データ間で反射波の位相に差が生じる。

なお、上記反射波の位相差は、以下の式により表される。

ここで、軌道縞Δψorbitと地形縞Δψtopoは地表の状態の変化を示しておらず、変動縞Δψdeformのみが地表の状態の変化を示しているので、初期干渉縞ψrowから軌道縞Δψorbitと地形縞Δψtopoとを除去することにより変動縞Δψdeformを算出する。なお、軌道縞Δψorbitは、観測された衛星データに含まれる軌道情報から算出でき、地形縞Δψtopoは、上記軌道情報と地表の標高情報（ＤＥＭ等）から算出できる。

低干渉性領域抽出部１４は、上記時系列画像データを記憶部２４から読み出し、低干渉性領域を抽出する。抽出した低干渉性領域の情報は、記憶部２４に記憶させる。低干渉性領域の情報としては、当該領域を表す線または点の集合等の画像が好適である。

ここで、低干渉性領域とは、上記時系列画像データ間（取得時刻が異なるレーダ画像データ間）の干渉性が低い領域であって、当該画像の観測対象である地表の状態の変化が大きい領域である。地表の状態の変化が大きいと、レーダ画像データ（反射波）における位相のばらつき（分散）が大きくなるので、時系列画像データ間の干渉性が低下する。このような地表の状態の変化が大きい領域としては、例えば地震等により地表面に断層による大きな変位が発生した領域、建物倒壊領域、地すべり等の土砂災害が発生した領域等が含まれる。

なお、取得時刻が異なるレーダ画像データ間の干渉性（コヒーレンスともいう）は、以下の式により演算できる。

ここで、γは干渉性であり、Ａ，Ｂはそれぞれ干渉性を計算するレーダ画像データのピクセル値を表す複素数である（Ａ^＊及びＢ^＊は、それぞれ共役複素数を表す）。干渉性（コヒーレンス）が高いとき、レーダ画像データ間の位相のばらつき（分散）は小さくなる。これは物理的に、二つのレーダ画像データ間で地表面の変化が小さいことを示す。逆に干渉性が低いとき、二つのレーダ画像データ間で地表面の変化が大きいことを示す。地表面の変化が大きいときには、上記反射波の位相差が大きくなり、取得時刻が異なるレーダ画像データ間で互いに干渉できなくなる。低干渉性領域抽出部１４は、上記干渉性γが小さい領域を抽出する。

地形表現図取得部１６は、通信部２２等を介して外部のサーバ等から地形表現図を取得し、記憶部２４に記憶させる。ここで、地形表現図とは、地表の状態を表現する図であって、例えば傾斜量図、陰影図、等高線図等が挙げられ、地表の形状（状態）を細かく表現できる傾斜量図が好ましい。なお、地形表現図は、通信部２２を介して取得する代わりに、予め記憶部２４に記憶させておくこともできる。

重畳部１８は、上記干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを記憶部２４から読み出し、重畳して記憶部２４に記憶させる。干渉縞画像と低干渉性領域の画像との重畳は、両画像を生成する際に使用したレーダ画像データの取得位置（座標）や地図座標に基づいて位置合わせをすることにより行う。

なお、重畳部１８は、干渉縞画像と低干渉性領域の画像とに加え、上記地形表現図を記憶部２４から読み出して重畳するのが好適である。この際も、それぞれの座標に基づいて位置合わせを行い、重畳する。重畳した画像は記憶部２４に記憶させる。

表示制御部２０は、重畳部１８により重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像（重畳画像）を記憶部２４から読み出し、液晶表示装置その他の適宜な表示装置を制御して表示する。また、地形表現図も重畳されている場合には、重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像と地形表現図（重畳画像）を表示する。

利用者は、表示制御部２０が表示装置に表示した重畳画像を見て、断層による変位、地すべり、液状化、盛土崩壊等が発生した地域を判別する。判別方法については後述する。

通信部２２は、適宜なインターフェースにより構成され、無線または有線の通信回線を介してＣＰＵ２６が外部のサーバ等とデータをやり取りするために使用する。また、上述したように、アンテナ１０３を介してレーダ装置が搭載された人工衛星１０１とも通信する。

記憶部２４は、ハードディスク装置、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）等の不揮発性メモリで構成され、上記各種情報等、及びＣＰＵ２６の動作プログラム等の、地表変状可視化装置が行う各処理に必要な情報を記憶させる。なお、記憶部２４としては、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、磁気テープ、電気的消去および書き換え可能な読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュ・メモリ等を使用してもよい。また、記憶部２４には、主としてＣＰＵ２６の作業領域として機能するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及びＢＩＯＳ等の制御プログラムその他のＣＰＵ２６が使用するデータが格納される読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含めるのが好適である。

図３には、表示制御部２０が表示装置に表示する重畳画像の例が示される。図３において、重畳画像には、干渉縞画像生成部１２が生成した干渉縞画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４が表示されている。また、低干渉性領域抽出部１４が抽出した低干渉性領域の例としては、断層による変位Ｆ、河川Ｒ、地すべりＳまたは液状化Ｌ、盛土崩壊Ｃが表示されている。利用者は、このような重畳画像から、以下のようにして断層による変位、地すべり、液状化、盛土崩壊等を判別する。

低干渉性領域の画像のうち、断層による変位Ｆ及び河川Ｒは、画像上で線状に表示される。利用者は、干渉縞画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４等が当該線状の画像の位置でずれているか否かを判断し、上記干渉縞画像にずれを生じさせている線状の画像を断層による変位Ｆと判断する。

また、干渉縞画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４等と低干渉性領域の画像とを傾斜量図等の地形表現図と重畳させることにより、低干渉性領域が河川Ｒ等のノイズであるか、地すべりＳまたは液状化Ｌ、盛土崩壊Ｃ等であるかを判別することができる。

上記線状の画像が、地形表現図上で河川の位置に一致している場合、当該線状の画像は、干渉縞画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４等のずれを見るまでもなく河川Ｒであると判別できるが、河川Ｒの近傍に低干渉性領域の広がりがあり、かつ当該場所の地形表現図上で人工的な盛土が判読される場合には、盛土崩壊Ｃが発生していると判断できる。

さらに、河川Ｒが存在しない場所に一定の広がりを持って存在している低干渉性領域は、地すべりＳまたは液状化Ｌが考えられる。この場合、地形表現図上で当該場所が傾斜地に判読されるときには地すべりＳの可能性があり、傾斜地ではなく沖積層の平坦地と判読されるときには液状化Ｌの可能性がある。

図４には、地形表現図として傾斜量図を使用し、干渉縞画像と低干渉性領域の画像とともに重畳した例が示される。図４の例では、干渉縞画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５等と断層による変位Ｆが表示されている。本例では、地形表現図として地表上の位置を正確に把握できる傾斜量図を使用しているので、断層による変位Ｆの位置を正確に把握することができる。なお、地すべりＳ、液状化Ｌ、盛土崩壊Ｃ等が表示されれば、これらの位置も正確に把握できる。

図５には、実施形態にかかる地表変状可視化装置の動作例のフローが示される。図５において、衛星データ取得部１０が人工衛星１０１から送信される、時系列画像データをアンテナ１０３を介して取得し、記憶部２４に記憶させると（Ｓ１）、干渉縞画像生成部１２が、その時系列画像データを記憶部２４から読み出し、干渉縞画像を生成して記憶部２４に記憶させる（Ｓ２）。また、低干渉性領域抽出部１４は、上記時系列画像データを記憶部２４から読み出し、低干渉性領域を抽出して記憶部２４に記憶させる（Ｓ３）。抽出された低干渉性領域の情報は、当該領域を表す線または点の集合等の画像として記憶させる。

次に、重畳部１８は、重畳処理Ｉとして、上記干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを記憶部２４から読み出し、重畳して記憶部２４に記憶させる（Ｓ４）。

表示制御部２０は、上記重畳処理Ｉにより重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の重畳画像を記憶部２４から読み出し、表示装置を制御して表示し（Ｓ５）、さらに重畳処理ＩＩを行うか否かの問いを表示する（Ｓ６）。

利用者は、Ｓ６で表示された重畳画像により、干渉縞が線状の低干渉性領域の画像の位置でずれているか否かを判断する。ずれている場合には、当該線状の画像が断層による変位と判断できる。また、上記Ｓ６の問いに対してＮ（否定）の入力を行うと、地表変状可視化装置が処理を終了する。

一方、上記Ｓ６の問いに対してＹ（肯定）の入力を行うと、重畳部１８が重畳処理ＩＩとして、干渉縞画像と低干渉性領域の画像とに加え、傾斜量図等の地形表現図を記憶部２４から読み出して重畳して記憶部２４に記憶させる（Ｓ７）。

表示制御部２０は、上記重畳処理ＩＩにより重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像と地形表現図の重畳画像を記憶部２４から読み出し、表示装置を制御して表示する（Ｓ８）。

利用者は、Ｓ８で表示された重畳画像により、図３で説明したように、河川Ｒ等のノイズであるか、地すべりＳ、液状化Ｌ、盛土崩壊Ｃ等であるか否かを判断する。

上述した、図５の各ステップを実行するためのプログラムは、記録媒体に格納することも可能であり、また、そのプログラムを通信手段によって提供しても良い。その場合、例えば、上記説明したプログラムについて、「プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体」の発明または「データ信号」の発明として捉えても良い。

１０ 衛星データ取得部、１２ 干渉縞画像生成部、１４ 低干渉性領域抽出部、１６ 地形表現図取得部、１８ 重畳部、２０ 表示制御部、２２ 通信部、２４ 記憶部、２６ ＣＰＵ、１０１ 人工衛星、１０２ 地表変状可視化装置、１０３ アンテナ。

Claims (4)

1. 異なる時刻に合成開口レーダにより取得された観測対象である地表の時系列画像データから、前記観測対象の変位による位相差に基づいて生成された縞模様の画像である干渉縞画像を生成する干渉縞画像生成手段と、
   前記時系列画像データから、前記時系列画像データ間のコヒーレンスが低い領域である低干渉性領域を抽出する低干渉性領域抽出手段と、
   前記干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを重畳する重畳手段と、
   前記重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを表示する表示手段と、
   を備えることを特徴とする地表変状可視化装置。
2. 前記重畳手段は、前記干渉縞画像と前記低干渉性領域の画像と地形の状態を表す地形表現図とを重畳し、前記表示手段が、前記重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像と地形表現図とを表示する、請求項１に記載の地表変状可視化装置。
3. 前記地形表現図が傾斜量図である、請求項２に記載の地表変状可視化装置。
4. コンピュータを、
   異なる時刻に合成開口レーダにより取得された観測対象である地表の時系列画像データから、前記観測対象の変位による位相差に基づいて生成された縞模様の画像である干渉縞画像を生成する干渉縞画像生成手段、
   前記時系列画像データから、前記時系列画像データ間のコヒーレンスが低い領域である低干渉性領域を抽出する低干渉性領域抽出手段、
   前記干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを重畳する重畳手段、
   前記重畳された干渉縞画像と低干渉性領域の画像とを表示する表示手段、
   として機能させる、地表変状可視化プログラム。
   

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