高精度画像マッチングを用いた SAR衛星画像からの地表変位推定神戸大学工学研究科情報知能学専攻水野雄介研究背景 衛星画像を利用した災害時の状況把握  広範囲の地域について情報が得られる  繰り返し定期的な観測が行える  危険地域への立ち入りを必要としない 衛星画像を用いた地震被害の観測  建物被害、津波被害の観測、土砂崩れの発見等 www.***.com 研究目的 衛星画像からの地表変位推定  地震による地殻変動の面的な把握と可視化  地震発生のメカニズム解明に有効変動前（Mater）変動後（Slave）変位ベクトルのマッピング www.***.com SAR（合成開口レーダ）画像 マイクロ波(L-band)  電波（電磁波）  波長:0.2m – 0.6m、周波数:0.5GHz – 1.5GHz  マイクロ波レーダの利点 – マイクロ波は樹木を透過し地面で反射するため，地表の観測に有効 – 合成開口技術によって高い分解能で観測が可能 – 昼夜や天候を問わず観測が可能 SAR画像 www.***.com 従来手法  画像マッチングによる手法（飛田, 2001）  画像中の小領域のマッチングにより対応点を抽出し、変位ベクトルを推定 変動前の画像をMaster画像、変動後の画像をSlave画像とする A A Master 1. Master画像上の任意の点の周りに小領域の窓を設定する Slave 2. 画像マッチングにより、Slave画像から Master画像上の小領域に対応する領域を抽出する A A 3. 対応する領域の移動から変位ベクトルを算出する www.***.com 提案手法  微小な地表変位の推定 ⇒位相限定相関法を用いた画像マッチング 従来と比べてより高精度なマッチングが可能 計算速度が高速  撮影条件の異なる画像の正確な位置合わせ ⇒ロバスト推定による回帰分析 外れ値に対して頑健な推定 ２画像の全体的な位置ずれを補正 www.***.com フローチャート Master画像参照領域設定 Slave画像探索領域設定対応点探索位置ずれ補正変位ベクトル 1. Master画像上に変位を推定する点を中心とする参照領域を設定 2. Slave画像上の同位置に参照領域よりサイズの大きい探索領域を設定 3. 位相限定相関法により参照領域に対応する領域を探索領域から探索（対応点探索） 4. 複数の対応点から画像全体の位置ずれをロバスト推定により算出 5. 位置ずれ補正を行い、変位ベクトルを算出 www.***.com 位相限定相関法 0 0 gn1,n2  f n1,n2  フーリエ変換 Fk1,k2  Gk1,k2  rn1,n2  相関ピーク座標 Rk1, k2   位相限定合成逆フーリエ変換 F k1, k2 Gk1, k2  F k1, k2 Gk1, k2  www.***.com 位相限定相関関数位相限定相関関数（POC） sin n1  1  sin n2   2  r n1 , n2     n1  1   n2   2  位相限定相関の理想的な関数モデル 1,2 …位置ずれ  1 0 ピーク評価式を用いた手法により，相関ピーク座標をサブピクセル精度で推定相関ピーク座標 0 rn1,n2  www.***.com 画像の位置あわせ画像取得時の撮影位置・姿勢による画像の位置ずれを補正 Master Master Slave Slave 変位ベクトル表示 www.***.com 対応点座標をアフィン変換によってSlaveからMasterの座標系に合わせる Master 対応点 Slave ( x1, y1 ) (x2 , y2 ) アフィン変換  x    a11 a12  x2   a13   2          y   a21 a22  y2   a23   2 アフィン変換のパラメータを推定 ( x1, y1 ) 変位ベクトル ( x2 , y2 ) Master画像変位ベクトルロバスト推定 (x2 , y2 ) Slave画像  vx   x2   x1          vy   y2   y1  www.***.com パラメータ推定 Yi  X i  A  Ei Yi  x1i , y1i  Master Ei ･･･誤差 X i  x2i , y2i ,1 対応点  a11  A   a21 a  31 a12   a22  a32  Slave ( x1, y1 ) (x2 , y2 ) Ei  exi , eyi  最小二乗法 e e 2  min 2  min xi i yi 外れ値 i •二乗誤差を最小化することでパラメータを推定 •外れ値に頑健でない www.***.com ロバスト推定 Biweight法        2 2  i    exi  eyi                 WY   wi xi wi yi       w ･･･ i の中央値       WX   wi xi wi yi wi       重み付け    i  wi  1   ,   w  wi  0,  i  w i  w  最小二乗近似からの誤差をもとに，データに対して重み付けを行う  誤差が大きいデータに対して低い重みを与えることで，ロバストな推定が可能 www.***.com RANSAC 1. データからランダムにN個の要素を選ぶ 2. N個の要素から最小二乗推定を行う 3. 全てのデータについて誤差を計算する 4. 誤差が閾値Tより小さいデータの数Kを算出する 5. 1~4を繰り返し行い，Kがより大きな推定結果を出力  データからランダムにサンプリングを行い，推定を行う  サンプルデータに外れ値が含まれなければ，より正しい推定が得られる www.***.com 実験対象とする地震  岩手・宮城内陸地震 • • • • • 発生時期震源規模震度最大変位･･･2008年6月14日･･･岩手県内陸南部･･･マグニチュード7.2 ･･･最大震度6強･･･約1.5m www.***.com 使用したデータ  ALOS/PALSARセンサデータデータ取得日時軌道マイクロ波入射角 2006/07/06 D（南行軌道） 41.5 2007/06/21 A（北行軌道） 34.3 2008/06/23 A（北行軌道） 34.3 2008/07/11 D（南行軌道） 41.5 マイクロ波周波数 1.27GHｚ（Lバンド）観測モード高分解能モード分解能縦（4.5m）×横（5.7m）観測幅縦（66km）×横（43km） ALOS/PALSAR センサパラメータ www.***.com 実験取得されたデータのうち，軌道が同じデータのペアについて提案手法による変位推定を行うペア1：ペア2： 2006/07/06 － 2008/07/21 2007/06/21 － 2008/06/23  ロバスト推定による位置あわせ精度最小二乗法 Bi-weight RANSAC 2006/07/06－ 2008/07/11 3.00 0.22 0.17 2007/06/21－ 2008/06/23 2.21 0.19 0.15 www.***.com  変位ベクトル表示 2007/06/21 – 2008/06/23 2006/07/06 – 2008/07/11 断層線 www.***.com  精度評価  2ペア（4観測）の画像上の変位ベクトルから3次元の変位を計算  正解データとして、国土地理院が提供する座標補正ソフトウェア“PatchJGD” の補正パラメータを使用緯度方向の誤差：経度方向の誤差： 5.34 (m) 9.54 (m)  地震による最大変位（約1.5 m）と比較して大きな値  地震による地表変位を正しく推定するために、より精度の向上が必要 www.***.com まとめと今後の課題  まとめ  位相限定相関法による画像マッチング  2つの画像間での対応点を得ることが出来た  誤差の大きさがやや大きい ⇒ ノイズによる影響  ロバスト推定による位置合わせ  位置合わせ誤差の低減に有効であることを確認  3次元変位  全体的な誤差の影響から推定精度が落ちる  今後の課題  ノイズ処理による推定誤差の低減  特徴点抽出による変位推定の効率化 www.***.com ご清聴ありがとうございました www.***.com 三次元ベクトル M  Str1  dA1 M TS1  dR1 M  Str2  dA2 M TS2  dR2 M ・・・変位ベクトル dA1,dA2 dR1,dR2 Str1,Str2 TS1,TS2 ・・・アジマス方向の観測値・・・レンジ方向の観測値・・・アジマス方向の感度ベクトル・・・レンジ方向の感度ベクトル www.***.com • 正解データ • 国土地理院の座標補正ソフトウェア“PatchJGD” • 地震などに伴う地殻変動による位置の変化を補正パラメータにより計算処理する • 補正パラメータは電子基準点・高度基準点・高度地域基準点での測量による www.***.com