南極地球物理学ノート No. 7 (2011.12.04)
干渉合成開口レーダーで決めた氷床接地線2
澁谷和雄・山之口勤
Keyword: 氷床接地線 (Grounding Line), ERS衛星タンデム・ミッション, InSAR画像, SAR 散乱強度画像,
RAMP モザイク, Antarctic Digital Database (ADD)
１．氷床接地線 (Grounding Line) の位置情報
地球潮汐による陸上での上下変位と海での潮汐変位には振幅に差があり、そのため氷床・棚氷境界において上下変位の遷移帯(transition zone)が現れる。この遷移帯は合成開口レーダー（SAR: Synthetic Aperture Radar）データの干渉処理で検出可能である（南極地球物理学ノートNo. 6）。しかし、SAR画像の画素は、衛星に固有のパラメーターで場所が指定されていて、一般的な地図情報を持たない。そのため、きれいな干渉縞が得られたという事実のみで終わるきらいがある。海陸境界を現わす線に地図情報を与えることが重要である。ここでは、その方法を考察する。
２．RAMPモザイク
位置情報の基準としてRAMP画像（図１）を用いる。RAMP (RADARSAT Antarctic Mapping Project)とはカナダのRADARSAT-1衛星を用いて1997年に行われた南極大陸の観測プロジェクトである。Jezek and RAMP Product Team (2002)はこのプロジェクトにおいてRAMP DEM及びRAMP Imageと呼ばれるデータセットを作成した。
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| 図1.（RADARSAT-1 衛星によるRAMPイメージ：Jezek and RAMP Product Team (2002)による） |
RAMP DEMとは各国が発行した紙地図、ADD (Antarctic Digital Database)等の標高データをまとめて作成されたデジタル地形モデルである。British Antarctic Survey(BAS)は世界各国の研究機関が観測した南極に関わる各種地理データをデジタル化してADDというデータベースにまとめた。南極全域のcoastal line を近似的にgrounding line (GL) とみなしたが、これは2011年現在でも唯一のGLデータベースである。RAMP DEMはADD同様、WGS84系、WGS84楕円体、極正射影座標系 (Polar Stereographic Coordinates: PS座標系) に準拠している。しかし、その高さ方向の精度が低いため（最大±100 m誤差）氷床氷厚変動の解析には向かないとされている。
RAMP Image（画像）とは、全南極大陸をRADARSAT-1衛星搭載のC-band SAR で撮像し、モザイク合成された画像である。前述のRAMP DEMを用いてオルソ補正（正射影補正）が施されている。RAMP Imageには無償でダウンロードできるものとそうでないものがあるが、無償利用可能なRAMP Imageの空間分解能は125 mである。Jezek (2002)は、その空間的な位置絶対精度を±200 mとしている。
３．幾何補正によるSAR画像への位置情報の付与
ERS-1及びERS-2のSAR生データからSLC (Single Look Complex) と呼ばれる複素画像を再生する。SLCは位相情報とともに後方散乱強度情報を含んでいる。これら２枚のSLC画像をもとに干渉処理を行い、干渉画像（Interferogram）を得る。干渉SAR画像の作成原理は南極地球物理学ノートNo. 6に述べた通りである。
データとしてERS-1及びERS-2のタンデムデータを用いる。タンデムとは、１日遅れでERS-2がERS-1の軌道を忠実にトレースする方式を示し、１日間隔での干渉SAR画像が得られる。エンダビーランド棚氷での例（南極地球物理学ノートNo. 6）で明らかになったように、３日回帰（ERS-1 Ice mode）では、その間に後方散乱特性が変化し、相関が得られない場合が多くなるので、どうしても１日回帰データが必要である。
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| 図2.（SAR画像の幾何補正の概念図） |
干渉画像と散乱強度画像の画素は同じピクセル位置を持っている。しかし、このピクセル位置は Range, Azimuth方向のライン番号で与えられていて、地理情報ではない。そこで、図２を参照し、SAR画像に位置情報を与える。
ERS-1/-2衛星はその位置、速度、マイクロ波の放射方向といった軌道情報を衛星搭載メモリーに記録しながら飛んでいる。そこで、それらの情報をもとに、画素の位置を(Range, Azimuth)座標系から、WGS84座標系のPS座標へ投影変換することができる。しかし、それだけでは精度的に不十分なので、投影変換されたSAR画像と、参照座標系を持つRAMP画像との間にGCP (Ground Control Point)と呼ばれる対応点を取り、幾何補正を行うことにする。
幾何補正ではまず、RAMP画像にSAR散乱強度画像を重ね、両者に共通する地形的特徴を抽出する。そしてGCPを最低７点選ぶ。これらGCPは、RAMP画像ではWGS84座標系のPS座標(x, y)で与えられ、SAR散乱強度画像ではGCPのRange方向pixel番号i、Azimuth方向のline番号 jで与えられている。
SAR画像上でのGCPには(xｋ, yｋ, k =1, ≧7)で示される座標値が付与されたからSAR画像上の任意のピクセルには、
F(x, y) = ai2 + bij + cj2 + di + ej + f (1)
但しa ～ f は７点以上のGCP (xｋ, yｋ, k =1, ≧7)から最小二乗法により求められる定数
４．InSAR GLの抽出と座標値
InSAR画像において、海陸境界の遷移帯（transition zone）は狭いフリンジ集中帯になる。図３(a)においてはピンク色の帯で表わされている。その最も大陸側のフリンジをGrounding Line (GL)と呼ぶことにする。青枠内を拡大して(b)で示すとAB間の位相プロファイルは海洋潮汐による上下変位を反映して(c)の模式図で示される。このうち、最も大陸側の赤い帯をGLとして判定するわけである。GLには既にPS座標が与えられているので、polyline arcというベクター形式でGLの位置情報を取り出し、データベース化すれば良い。
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| 図3.（GLの判定模式図） |
このようにしてInSAR画像から目視でGLを抽出・デジタイズする作業を、2011年12月現在、以下の３地域について行っている。図４は東南極の25˚Wから40˚Eにかけての沿岸域で、作業に用いた28 strip (アジマス方向にいくつかのシーンをつなげた長い画像をstripと呼び、その長いstripを基にInSAR処理できる）データのリストを表１に掲載した。図５は西南極の165˚Wから85˚WにかけてのInSAR画像で、用いた36 stripデータのリストを表２に掲載した。図６は南極半島（経度は60˚Wから80˚Wにかけて）で、用いた20 stripデータのリストを表３に掲載した。
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| 図4. (東南極のGL抽出用InSAR strip) |
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| 図5.（西南極のGL抽出用InSAR strip） |
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| 図6 （南極半島のGL抽出用InSAR strip） |
抽出したGLの含む誤差には３種類ある。(1) GLのデジタイズ誤差は、十分な拡大率の画像を用いて注意深く行えば、±２画素の誤差に収まる。InSAR画像の１画素サイズは今の場合50 mなので、±100 mということになる。(2)３章で述べた幾何補正に伴う誤差は、概ね４画素で、±200 mである。(3)基準となるRAMP Imageの持つ位置誤差が±200 mであったから、結局、RSS = (1002 + 2002 + 2002)1/2 = ±300 mが抽出された干渉合成開口レーダーに基づく氷床接地線（InSAR GLと称する）の公称誤差ということになる。
５．InSAR GLデータベース
InSARにより得られるGLは単一のデータセットとして表現するにはあまりに膨大である。そこで、ADDの例に倣い、南極域をセクターに分け、そのセクター毎にPolyline (arc) のべクター形式で格納した。図７の黄色いハッチをかけた領域が2011年7月７日時点でのデータが用意できたセクターで、
http://www2.restec.or.jp/research/InSAR_GLDB/InSAR_GL_main_e.html
で公表した。今後も適宜、セクターの追加更新を行う。
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| 図7.（GLのPolyline (arc)ベクターデータの格納セクター） |
GLの目視抽出では実際上、(1)明瞭にフリンジバンドが得られているので精度が良い(Robust)、(2)InSAR画像のフリンジバンドを用いているが、あまり明瞭ではない(faint)、(3)SAR散乱強度画像のみから抽出せざるを得ない、という３つの部分に分けられる。
(1)は公称精度通り±300 m誤差だが、(2)では概ね±400 m誤差に劣化し、(3)は状況に依るので一律の誤差は付与できない。ベクター形式の場合、この精度に関する属性を付与できる利点がある。
このノートは以下の文献、Symposium発表、博士論文をもとに構成した。
Yamanokuchi, T., Doi, K., Shibuya, K., 2005. Validation of grounding line of the
East Antarctic ice sheet derived by ERS-1/2 interferometric SAR data. Polar
Geoscience, 18, 1-14.
山之口勤、2006. InSARを用いた南極域における接地線と氷床表面形態の決定に関する
基礎研究、総合研究大学院大学博士論文。
Shibuya, K., Doi, K., Yamanokuchi, T., Nakamura, K., 2007. Determination of the
Antarctic coastline by InSAR, and variation estimate of Shirase Glacier flow
by a SAR image correlation method. U. S. Geological Survey and The National
Academies, USGS OF-2007-1047, Extended Abstract 91, 4p.
このノートで参照したデータベース及び文献は以下の通り。
ADD Consortium, 2000. Antarctic Digital Database, Version 3.0 Database, manual
and bibliography, Scientific Committee on Antarctic Research, Cambridge, 93 pp.
Jezek, K., 2002. RADARSAT-1 Antarctic MappingProject: change detection and
surface velocity canpaign. Annals of Glaciology, 34, 263-268.
Jezek, K., and RAMP Product Team, 2002. RAMP AMM-1 SAR Image Mosaic of
Antarctica. Alaska Satellite Facility, Fairbanks, AK, in association with the
National Snow and Ice Data Center, Boulder, CO. Digital media.
Yamanokuchi, T., Doi, K., Shibuya, K., 2008. InSAR Grounding Line Database
ver.1.0, http://www2.restec.or.jp/research/InSAR_GLDB/InSAR_GL_main_e.html
Q and A
Q1: 表２，３を見るとGCPの数が４つしかないstripがあります（No. 14, No. 22, No. 25, No. 26）。また、表３にはGCPの数の記載すらありません。このような場合でも地理座標を与え、幾何補正出来たのですか？
A1: ここでは (1)式でa-fの６パラメーターを最小二乗法で決めるようにしていますが、衛星の軌道情報が精度よく決まっていた場合、(1)よりもっと簡単な式で幾何補正できます。そうした場合はGCPの数も少なくてすみます。南極半島はもともと、海岸線がはっきりしている部分が大半ということもあり、GCPは４点で済んでいるので表３ではGCP点数を省いています。
Q2: GLを目視手作業で線引きして決めたとして、どうやって、デジタル化するのかがわかりません。
A2: SAR, InSAR処理にはスイスGamma社製のGamma SAR Processor (Gamma Remote Sensing, 2000)を使用しています。画像間の幾何補正にはアメリカERDAS社（旧Leica Geosystems GIS&Mapping 社) 製のリモートセンシング解析ソフトウェアErdas Imagine を使用しています。GLの目視判読手動抽出、vector file (shape file）へのデジタル化はアメリカESRI社GIS software ArcGISを使用しています。これらソフトウェアの詳細は本題ではないので省略します。
Q3: 膨大な作業の割に、科学的な成果が見えないのですが？
A3: この研究によりdatabaseの作成自体は、研究段階からルーチン作業に移行したと言えます。ADDは長い年月をかけて得られた地上測量、航空写真測量を主体として構成されたので、誤差評価そのものが地域によってvariableとされています。また、GLの決定時期が全体としては特定できません。一方、このInSAR GLは表１－３に示すように1995年10月～1996年４月という作成時期が特定できます（いくつかのIce modeデータを除き）。合成開口レーダー衛星は日本の打ち上げたALOS/PALSAR (2006)を始め、今後も打ち上げられるので、同様に作成年を特定したInSAR GLが決められます。GLの決定に用いたSARデータ取得時期が１年以内で特定できれば、10年間隔を置いたInSAR GLデータベースでその10年変動(decadal change)を追って行くことができます。そして、氷床域の地域的な増減、棚氷域の消長とその原因などを研究して行くことができます。
<謝辞>
南極地球物理学ノートNo. 6, No. 7, No. 8で使用したERS-1/-2 SARデータはNIPR/NASDA (現JAXA)のMOUに基づき提供されたもの、ESAの公募研究Cat-1 (PI: 青木茂・北大低温研)により提供されたもの、NIPRが購入したもの、一般財団法人 リモート・センシング技術センターが、一般財団法人 新技術振興渡辺記念会の補助を受けて購入したものなどが混在している。しかしいずれにせよ、ERS-1/-2 SARデータの所有権はESAに帰属する。
| 表1. 東南極域のGL抽出に使用したInSARストリップ |
No. |
Observation |
Observation |
Receiving |
Baseline |
No. of |
1 |
1999/11/14-15 |
Tandem |
Syowa |
151 |
8 |
2 |
1991/12/06-09 |
Ice mode |
Syowa |
69 |
8 |
3 |
1996/04/14-15 |
Tandem |
Syowa |
6 |
9 |
4 |
1996/04/02-03 |
Tandem |
Syowa |
29 |
8 |
5 |
1996/04/11-12 |
Tandem |
Syowa |
76 |
9 |
6 |
1996/04/17-18 |
Tandem |
Syowa |
17 |
8 |
7 |
1996/05/28-29 |
Tandem |
Syowa |
71 |
8 |
8 |
1996/05/21-22 |
Tandem |
Syowa |
37 |
9 |
9 |
0996/04/03-04 |
Tandem |
Syowa |
64 |
7 |
10 |
1996/06/02-03 |
Tandem |
Syowa |
69 |
7 |
11 |
1996/04/03-04 |
Tandem |
Syowa |
12 |
9 |
12 |
1996/03/11-12 |
Tandem |
Syowa |
224 |
7 |
13 |
1996/04/05-06 |
Tandem |
Syowa |
76 |
7 |
14 |
1996/04/11-12 |
Tandem |
Syowa |
14 |
7 |
15 |
1996/05/08-09 |
Tandem |
Syowa |
59 |
10 |
16 |
1996/04/09-10 |
Tandem |
Syowa |
43 |
7 |
17 |
1996/06/02-03 |
Tandem |
Syowa |
7 |
7 |
18 |
1996/04/02-03 |
Tandem |
Syowa |
36 |
7 |
19 |
1996/03/17-18 |
Tandem |
O'Higgins |
127 |
8 |
20 |
1996/03/07-08 |
Tandem |
O'Higgins |
168 |
8 |
21 |
1995/11/07-08 |
Tandem |
O'Higgins |
27 |
7 |
22 |
1997/03/14-15 |
Tandem |
O'Higgins |
74 |
7 |
23 |
1995/11/13-14 |
Tandem |
O'Higgins |
94 |
9 |
24 |
1996/02/29-03/01 |
Tandem |
O'Higgins |
117 |
7 |
25 |
1996/04/09-10 |
Tandem |
Syowa |
10 |
22 |
26 |
1996/02/18-19 |
Tandem |
Syowa |
190 |
9 |
27 |
1995/11/08-09 |
Tandem |
O'Higgins |
138 |
8 |
28 |
1996/04/18-19 |
Tandem |
Syowa |
70 |
9 |
東南極域でInSAR処理に用いたERS-1/2SARデータの組合せ。カラム1は図4内の画像番号、カラム2はペアの観測日付の組合せ、カラム3はSAR観測モード、カラム4は受信局、カラム5は軌道間距離の直交成分の長さ、カラム6は幾何補正に用いたGCPの数をそれぞれ示す。 |
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| 表2. 西南極域のGL抽出に使用したInSARストリップ |
No. |
Observation |
Observation |
Receiving |
Baseline |
No. of |
1 |
1995/10/17-18 |
Tandem |
O'Higgins |
63 |
15 |
2 |
1995/11/08-09 |
Tandem |
O'Higgins |
14 |
10 |
3 |
1995/10/29-30 |
Tandem |
O'Higgins |
2 |
15 |
4 |
1995/10/16-17 |
Tandem |
O'Higgins |
52 |
22 |
5 |
1995/11/03-04 |
Tandem |
O'Higgins |
59 |
9 |
6 |
1996/03/10-11 |
Tandem |
O'Higgins |
141 |
8 |
7 |
1995/11/10-11 |
Tandem |
O'Higgins |
146 |
10 |
8 |
1995/10/31-11/01 |
Tandem |
O'Higgins |
12 |
13 |
9 |
1995/11/16-17 |
Tandem |
O'Higgins |
201 |
7 |
10 |
1996/02/29-03/01 |
Tandem |
O'Higgins |
37 |
7 |
11 |
1996/03/22-23 |
Tandem |
O'Higgins |
15 |
15 |
12 |
1995/10/21-22 |
Tandem |
O'Higgins |
43 |
12 |
13 |
1995/10/30-31 |
Tandem |
O'Higgins |
21 |
9 |
14 |
1995/11/08-09 |
Tandem |
O'Higgins |
13 |
4 |
15 |
1995/11/08-09 |
Tandem |
O'Higgins |
5 |
7 |
16 |
1996/03/14-15 |
Tandem |
O'Higgins |
107 |
8 |
17 |
1995/11/17-18 |
Tandem |
O'Higgins |
141 |
8 |
18 |
1996/03/11-12 |
Tandem |
O'Higgins |
206 |
7 |
19 |
1996/2/04-05 |
Tandem |
O'Higgins |
222 |
8 |
20 |
1996/03/16-17 |
Tandem |
O'Higgins& |
130 |
9 |
21 |
1996/03/14-15 |
Tandem |
O'Higgins |
186 |
8 |
22 |
1996/01/26-27 |
Tandem |
O'Higgins |
139 |
4 |
23 |
1996/01/29-30 |
Tandem |
O'Higgins& |
138 |
8 |
24 |
1996/2/23-24 |
Tandem |
O'Higgins& |
210 |
9 |
25 |
1996/02/09-10 |
Tandem |
McMurdo |
189 |
4 |
26 |
1996/03/17-18 |
Tandem |
McMurdo |
159 |
4 |
27 |
1996/03/20-21 |
Tandem |
McMurdo |
185 |
7 |
28 |
1996/03/16-17 |
Tandem |
McMurdo |
141 |
9 |
29 |
1996/01/31-02/01 |
Tandem |
McMurdo |
180 |
8 |
30 |
1996/02/12-13 |
Tandem |
McMurdo |
141 |
10 |
31 |
1996/03/21-22 |
Tandem |
McMurdo |
86 |
10 |
32 |
1996/02/11-12 |
Tandem |
McMurdo |
156 |
10 |
33 |
1996/04/17-18 |
Tandem |
McMurdo |
10 |
9 |
34 |
1996/03/21-22 |
Tandem |
McMurdo |
70 |
8 |
35 |
1996/02/10-11 |
Tandem |
McMurdo |
177 |
7 |
36 |
1996/02/08-09 |
Tandem |
McMurdo |
208 |
9 |
西南極域でInSAR処理に用いたERS-1/2SARデータの組合せ。カラム番号の説明は表１と同様である。 |
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| 表3. 南極半島域のGL抽出に使用したInSARストリップ |
No. |
Observation |
Observation |
Baseline |
1 |
1995/10/31-11/01 |
Tandem |
22 |
2 |
1995/10/28-29 |
Tandem |
31 |
3 |
1996/01/22-23 |
Tandem |
192 |
4 |
1996/02/26-27 |
Tandem |
174 |
5 |
1995/11/07-08 |
Tandem |
145 |
6 |
1995/10/16-17 |
Tandem |
104 |
7 |
1995/11/17-18 |
Tandem |
191 |
8 |
1995/11/11-12 |
Tandem |
140 |
9 |
1995/11/08-09 |
Tandem |
136 |
10 |
1996/03/02-03 |
Tandem |
198 |
11 |
1996/02/28-29 |
Tandem |
167 |
12 |
1995/11/12-13 |
Tandem |
110 |
13 |
1995/11/09-10 |
Tandem |
120 |
14 |
1996/03/22-23 |
Tandem |
67 |
15 |
1996/03/22-23 |
Tandem |
59 |
16 |
1995/10/28-29 |
Tandem |
30 |
17 |
1995/10/28-29 |
Tandem |
30 |
18 |
1995/11/10-11 |
Tandem |
149 |
19 |
1995/11/07-08 |
Tandem |
125 |
20 |
1995/10/16-17 |
Tandem |
85 |
カラム番号の説明は表の1, 2と同様である。受信局はすべてO'Higginsなので カラムは省略した。GCPの数がすべて4なのでカラムは省略した。 |
|||