ダム等インフラのモニタリングに対する合成開口レーダの利用可能性 2014年10月2日国際航業株式会社本田謙一国際航業株式会社会社紹介本社：東京都千代田区六番町２設立年月日： 1947年9月12日（創立67年目）代表取締役社長：土方聡資本金： 169.29億円売上高： 326.59億円（2013年3月期）従業員数： 1,237名（2013年9月1日現在）事業内容：空間情報コンサルティング，再生可能エネルギー関連事業，防災関連事業，環境保全事業，マーケティングおよび位置情報サービス，その他国家資格保有者数：博士25人，一級建築士7人，測量士337人，技術士358人（2013年9月1日現在）ネットワーク 4箇所の技術センター，52箇所の支社・支店・営業所（日本の主要都市），9ヶ国の海外営業拠点 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 1 バランスのとれた三つの中核技術 • データ取得，データ処理・解析，ソリューションの全ての技術を保有 • その三側面がバランスよく保持されているのが国際航業の強み 1 データ取得 2 データ処理と解析種々のセンサを適宜組み合わせて地理空間情報を取得高品質のデータ処理能力と高度な解析技術地理空間情報を活かしきる高度なGIS 技術とコンサルティング能力種々の衛星センサ航空レーザ計測センサ(4台) 計測用デジタル航空カメラ（4台）モバイルマッピングシステム（6台） •博士10名, 測量士 337名 •専門分野 •博士15名, 技術士 358名 •専門分野写真測量, リモートセンシング, GIS解析, 空間情報データベース設計防災, 河川計画, 道路設計, 都市計画及び設計 etc. デジタル空中写真測量 3 ソリューション航空レーザ GISコンサルティング衛星リモートセンシング GPS モバイルマッピングナローマルチビームコンサルティング 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス GISソリューション 2 本日お話しする内容 1. 合成開口レーダによる変位計測の原理 ① 合成開口レーダ（SAR）とは？ ② SARによる変位計測の原理 ③ 変位計測の典型事例 2. インフラモニタリングの必要性 3. ダムの変位計測の現状 4. 合成開口レーダーによるダム堤体の変位計測事例 5. まとめ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 3 1.合成開口レーダによる変位計測の原理 ①合成開口レーダ（SAR）とは？ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 4 合成開口レーダ（SAR：Synthetic Aperture Radar）とは • 光学衛星（IKONOSなど）や航空レーザより波長の長いマイクロ波を利用 • 能動的センサで太陽光を利用しないため，夜も観測可能 • 雲を透過するため雨天時も観測可能 • 面的な情報が得られる • コヒーレントな波であるため，立体視せずに高分解能を得ることができる Xバンド：約3cm Cバンド：約5.6cm Lバンド：約20chm 計画的観測が可能なため，モニタリングに高い適性災害時など緊急性が高い状況での情報収集に有効 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 5 SARの特徴光学画像（可視光） SAR画像（マイクロ波）雲の下はわからない雲の下も観測可能 SARは出典：RESTEC でも雲の下でも観測できる緊急観測・定期観測に適している 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 6 主な衛星SARセンサ衛星センサ TerraSAR-X COSMOSkyMed RADARSAT2 Sentinel-１ ALOS PALSAR ALOS-2 運用国ドイツイタリアカナダ欧州日本日本打ち上げ年 2007年２００７年 2008年 2014年 2006年 2014年回帰日数 11日 16日 24日 12日 46日 14日波長 Xバンド Xバンド Cバンド Cバンド Lバンド Lバンド分解能 1～16m 1～100m 1～100m 5～100m 10m,20m 1～100m 観測幅 10～100km 7～200km 18～500km 20～400km 70km 25～490km 偏波 HH,HV,VH,VV HH,HV,VH,VV HH,HV,VH,VV HH,HV,VH,VV HH,HV,VH,VV HH,HV,VH,VV 備考 2010年6月21日 TanDEM-X打ち上げ 4機体制－ 2015年度にもう１機打ち上げ予定 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 2011年5月12日運用終了年末頃よりデータ一般公開予定 7 主な衛星SARセンサ稼動状況【X-band】 TerraSAR-X (1m) COSMO-SkyMed (1m) 【C-band】 ERS-1 (30m) ERS-2 (30m) RADARSAT-1 (10m) ENVISAT (30m) RADARSAT-2 (3m) Sentinel-1 (5m) 【L-band】 JERS-1 (18m) ALOS (10m) ALOS-2 (3m) 1990 1995 2000 2005 2010 2011 SAR衛星多様化の時代 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 2012 2013 2014 現在 8 1.合成開口レーダによる変位計測の原理 ②SARによる変位計測の原理 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 9 SARで得られるもの (1)散乱強度 →地表面の凹凸状況を反映 (2)位相 →位相差が二時期の変位を反映 (3)偏波 →地物の質的状況を反映後方散乱波長360°=2π 位相差（干渉処理） http://www.myu.ac.jp/~chinatsu/research/res_sar/res_sar_intro.html 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス偏波合成 10 位相の特性位相は距離に関する情報を持つ DInSARの計測概念 2時期に変動があると位相差が表れる DInSAR Differential Interferometric SAR : 差分干渉SAR 干渉縞変動量と位相差の関係出典：国土地理院「干渉SARを知る」 https://vldb.gsi.go.jp/sokuchi/sar/mechanism/mechanism.html 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 11 広域を対象とした変位計測手法手法項目衛星SAR 航空レーザ測量 GPS(shamen-net) 使用機器人工衛星（合成開口レーダ）航空機搭載型レーザスキャナ GPS 計測範囲広域の面計測広域の面計測（高密度面計測の面展開）ポイント計測（面展開には多数点の計測） mm～cm単位（利用ﾃﾞｰﾀ，処理手法等で変化） ±15cm程度水平±1mm程度，鉛直±1.5mm程度利用衛星に依存（衛星回帰周期を基本）任意（データ取得時）リアルタイム長所・広域の変動観測が可能・過去からの変動観測が可能・広域の観測が可能・高密度データの取得が可能・高精度な三次元計測データ・気象状況に左右されにくい短所・処理可能なデータに制限・大量のデータが必要な場合あり・解析コストが掛かる場合あり・他手法と比較して精度が劣る・過去データが多くない・ポイント計測・計測精度が上空視界に依存参考費用利用データ，処理手法等に依存（数百万円～数千万円）データ価格アーカイブ：4万円/km2～新規取得：数百万円～／回 GPS20基，24時間監視の場合 1年目：約1300万円 2年目以降：約1000万円備考・InSAR/DInSAR/PSInSAR/CTM 等の処理手法あり精度観測頻度特徴 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 12 1.合成開口レーダによる変位計測の原理 ③SARによる変位計測の典型事例 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 13 地殻変動の解析東日本大震災前後の干渉処理岩手・宮城内陸地震地殻変動図（当社解析成果）（JAXA解析成果） 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 14 地殻変動の解析隆起沈降地殻変動図地震による広範囲にわたる地殻変動が検出できる • 地震や火山のメカニズムの解析に利用 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 15 地盤沈下の計測干渉処理結果水準測量結果（2006年11月8日と2009年10月1日）（2005年1月1日～2010年1月1日） 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 16 地盤沈下の計測 2007-2011 4年間21回の観測画像を SARscape SBAS機能で解析水準測量結果 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 17 SARによる地盤沈下計測精度回帰式：Y=1.0889*X+7.7782 X:水準測量結果 Y：干渉処理結果決定係数R2=0.8559 RMSE=0.993[cm] 最大較差=3.989[cm] 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 18 2. インフラモニタリングの必要性 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 19 インフラ老朽化に伴う事故 •笹子トンネル天井板落下事故（2012年12月） – 死者9名，負傷者2名 – 笹子トンネル開通は昭和52年（1977年） •ミネアポリス（米国）高速道路崩落事故（2007年8月）出典：読売新聞朝刊（2012年12月3日付） – 死者9名，負傷者100名以上 – 1967年に建造された橋。事故原因として老朽化が指摘出典：Wikimedia 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 20 インフラ老朽化の深刻さ •急速な老朽化が進む – わが国のインフラは，高度経済成長期などに集中的に整備 →今後20年間で，建設後50年以上経過する施設の割合が加速度的に高くなる見込み出典：平成25年度国土交通白書 http://www.mlit.go.jp/hakusyo/mlit/h25/hakusho/h26/pdf/np101000.pdf 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 21 構造物点検の現状出典：http://www.nedo.go.jp/content/100564394.pdf 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 22 求められる効率的なモニタリング •これからのインフラマネジメントの課題 – – – – 事後保全から予防保全へ人口減少厳しい財政状況熟練技術者の減少出典：平成25年度国土交通白書新技術を活用した効率的なインフラモニタリングが必要 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 23 3. ダムの変位計測の現状 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 24 ダムの種類アーチダム（黒部ダム）重力式コンクリートダム（奥只見ダム）ロックフィルダム（高瀬ダム） 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 25 ダムの変位計測について • 河川管理施設等構造令 – 第十三条ダムには，次の表の中欄に掲げる区分に応じ，同表の下欄に掲げる事項を計測するための装置を設けるものとする。（※最低限の計測項目を規定）堤高50m未満の重力式コンクリートダム以外，全てのダムで変形計測が義務付け 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 26 ダムの変位計測頻度について漏水量変形揚圧力臨時点検コンクリートダム（重力式100ｍ以上) フィルダム第Ⅰ期第Ⅱ期第Ⅲ期第Ⅰ期第Ⅱ期 1回/日 1回/週 1回/月 1回/日 1回/週 1回/日 1回/週 1回/月 1回/週 1回/月 1回/週 1回/月 1回/3月最大加速度25ガルまたは震度4以上第Ⅲ期 1回/月 1回/3月 - ※国土交通省河川砂防技術基準維持管理編（ダム編）第Ⅰ期－湛水開始～試験湛水終了まで第Ⅱ期－第Ⅰ期以降～挙動が定常状態になるまで第Ⅲ期－第Ⅱ期以降～試験湛水（First Impounding）・・・ダムが完成して初めて水を貯める試験ダムの挙動が安定している，第Ⅱ期・第Ⅲ期の変位計測では，合成開口レーダ（SAR）の適用可能性あり 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 27 4.合成開口レーダーによるダム堤体の変位計測事例～（独）土木研究所との共同研究成果より～ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 28 使用したデータ ALOS（だいち） PALSAR ・ Lバンド・分解能10m ・ 46日回帰・ 4年間14回観測・ 2011年5月12日運用停止 JAXAのHPより・ 2006 年12 月6 日～2010 年12 月17日の4年間のデータ・各軌道14期のSARデータについて解析を実施・全ての結果をスタッキング処理してダム堤体の変形量計算 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 29 対象ダム堤高：66m 堤頂長：445m O県Tダム 4年間の変動量 2006年12月盛立終了 →2006年12月から，24点でGPS計測 →4年間で最大116mmの変位を計測 →同時期のDInSARの結果と比較検討する 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 30 対象ダム堤体斜面のGPS 堤体天端のGPS 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 31 フィルダム堤体変位計測２時期のSARデータによるフィルダム堤体天端部分の変位計測 2006/12/9 反射強度 2009/12/14 反射強度コヒーレンス D D 進行方向視線方向対象ダム画像(Google Earth) 2006年12月9日と2009年12月14日の干渉処理 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 32 異なる方向からの観測データによる変位計測 ± 北行軌道・西から観測・堤体に正対南行軌道・東から観測・堤体に平行ダム堤体に対し，どちらの観測方向が変位計測に適しているか？ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 33 上流北行軌道による変位計測結果下流 2006/12/6 2007/10/24 2007/12/9 2008/1/24 2008/4/25 2008/7/26 2008/12/11 2009/1/26 2009/10/29 2009/12/14 2010/1/29 2010/8/1 2010/11/1 2010/12/17 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 34 上流南行軌道による変位計測結果下流 2007/1/12 2007/4/14 2007/8/30 2007/10/15 2007/11/30 2008/1/15 2008/4/16 2008/6/1 2008/9/1 2009/1/17 2009/4/19 2009/9/4 2010/1/20 2011/1/23 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 35 精度検証結果 GPS計測点北行軌道南行軌道 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス RMSE R 13.19mm 0.78 11.47mm 0.83 36 時系列変位最終結果最終結果 InSAR: 55.7mm InSAR: 65.5mm GPS: GPS: 78.8mm 北行軌道 92.0mm 南行軌道 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 37 5. まとめ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 38 インフラモニタリングに対するSARの利点 •SARの利点 – 数cmの精度で変位を計測できる – 広範囲を一度に観測できる – 夜間や雲の下でも観測できる •定期観測・緊急観測に適している – 新規SAR衛星の打ち上げが進んでいる •ALOS-2：2014年5月に打ち上げ •Sentinel-1（欧州）：2014年4月に打ち上げ •RCM（加）：2014年以降 •COSMO-SｋｙMed 2nd： 2015年以降 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 39 今後の展望・土木構造物の変位計測の高精度化（高解像度，両側観測，etc）・土木構造物の平時の変位計測への適用 →安全管理のコスト縮減・土木構造物の非常時の変位計測への適用（地震，洪水，etc） →地震等はどこで発生するか不明 →非常時の変位計測のためには，多くの場所で平時の計測が必要・・・測量，GPSでは困難（日本のダム数：約2800基，ため池：数万）・世界の土木構造物の安全管理への貢献・・・途上国では，ダムの安全管理が必ずしも十分ではない →SARによる途上国の土木構造物の変位計測の将来性・重要性多くのインフラモニタリングにSARの利用可能性がある！！ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 40 ALOS-2 SOLUTION BOOK 「ALOS-2 SOLUTION BOOK」（JAXA発行）に当社と土木研究所の共同研究事例が掲載機会がございましたら，ぜひご覧ください！ 2014/10/2 2014年IDL&ENVIユーザカンファレンス 41 ご清聴ありがとうございました。本田謙一国際航業株式会社空間情報基盤技術部リモートセンシングG E-mail: [email protected] URL: http://www.kk-grp.jp/