航空機搭載合成開口レーダ（Pi-SAR2）による御嶽山の観測 - ITU-AJ

スポットライト
航空機搭載合成開口レーダ（Pi-SAR2）による御嶽山の観測
―噴煙の下の火口の様子を詳細に
情報通信研究機構電磁波計測研究所統括
情報通信研究機構電磁波計測研究所センシングシステム研究室主任研究員
うらつか
せいほ
浦塚
清峰
まつおか
たけし
松岡
こじま
情報通信研究機構電磁波計測研究所センシングシステム研究室主任研究員
情報通信研究機構電磁波計測研究所センシングシステム研究室主任研究員
情報通信研究機構電磁波計測研究所センシングシステム研究室研究マネージャー
情報通信研究機構電磁波計測研究所センシングシステム研究室主任研究員
児島正一郎
うえもと
じゅんぺい
上本
純平
うめはら
としひこ
梅原
俊彦
こばやし
たつはる
小林
達治
さたけ
情報通信研究機構電磁波計測研究所センシングシステム研究室主任研究員
情報通信研究機構経営企画部プランニングマネージャー
1．はじめに
建志
しょういちろう
佐竹
まこと
誠
なだい
あきつぐ
灘井
章嗣
偏波（注1）を利用して詳細な識別を可能とするポラリメトリ機
2014年9月27日、御嶽山に突然起きた火山噴火は、秋の
能と二つのアンテナによる立体視により地面の高さを同時に
紅葉を楽しんでいたたくさんの登山客に襲いかかり、山頂付
測るインターフェロメトリ機能（注2）を搭載しています。2000
近にいた56名の方々の命を奪いました。積雪等のため捜索が
年4月に発生した北海道有珠山の火山噴火では、噴火から1
中断されたままですが、まだ7名の消息が不明なままです。
週間後に航空機SARとしては初めて噴火状況の把握に活用
日本には世界の活火山全体のおよそ8分の1にもなる110の
し、以降は噴火が収束する5月まで数度の観測を実施しまし
活火山があり、これまでにも、度々噴火や火山ガス噴出など
た。この火山噴火では二つのグループに分かれた複数の新た
により物的あるいは人的な被害が発生してきました。そのた
な火口から噴煙が吹き出しましたが、噴煙のため火口の様子
め、国内の多くの火山は、大学や国の機関により常時監視
を正確に知る手段がありませんでした。Pi-SARは火口の形状
が続けられていますが、ひとたび活動が活発になった火山で
や大きさ、数を明瞭に示し噴火の推移を知る手掛かりとなり
は、噴煙や雲の影響により火口の様子がどうなっているのか
ました。また、Pi-SARのポラリメトリ機能は火山灰の降り積
がなかなか把握しにくい状況にあります。
もった領域を確認するのに役立ちました。さらに、二つの火
このような状況下でも、火山の火口の形や大きさを30cm
口群の間で40mにも及ぶ隆起が起きていることをインターフ
の細かさで観測することができるのが、情報通信研究機構
ェロメトリ機能で3次元的に示しました。これらの結果は新
（NICT）が開発した航空機搭載合成開口レーダ（Pi-SAR2）
聞等にも報道され、一般の方々にもSARによる観測がこうし
で、これまでにも九州の霧島・新燃岳や桜島といった火山の
た災害に有効であることを初めて知っていただくことになり
噴火に際しての観測を行ってきました。
ました。引き続いて7月に発生した伊豆諸島三宅島の火山噴
今回の御嶽山の噴火に対しては、噴火開始から5日後にな
火では、山頂付近に直径1.5km、深さ400mに及ぶ陥没が発
る10月2日に、同火山の山頂付近を中心とした観測を行い、
生しました。Pi-SARのインターフェロメトリ機能はこの地形
結果をほぼリアルタイムで関係機関に提供しました。
変化を定量的に把握することに役立ちました。
しかし、2004年に新潟県中越地域を震源として発生した
地震では、山岳地域の小規模ではあるが多数の土砂崩れの
2．航空機搭載合成開口レーダ（Pi-SAR2）
把握には、十分な判読能力がなく、また情報を最も必要と
悪天候でも夜でも地上の様子をつぶさに見ることのできる
する現地にデータを渡すのに1週間以上という相当の時間が
合成開口レーダ（SAR）は、特に災害時の状況把握に有効
かかってしまいました。火山噴火の場合でも迅速性はある程
です。NICTは、1998年に国内では初の本格的なSARであ
度必要ですが、地震災害の場合には災害状況をリアルタイム
り、当時としては世界トップの性能である1.5mの分解能を
で把握することが有用です。この反省からNICTでは2006年
持つ航空機搭載SAR（Pi-SAR）を開発しました。Pi-SARは
から小規模の土砂崩れも判読可能なデータを取得すること
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と、データを迅速に提供することを目的として新たにPi-
に、逐次、人手をかける必要があったことも時間を必要とす
SAR2の開発を進めてきました。Pi-SAR2はPi-SARの5倍の識
ることに拍車をかけました。
別能力である30cmの分解能を持ち、Pi-SARと同様にポラリ
一方で、大震災に先立って災害が発生していた新燃岳の
メトリとインターフェロメトリの機能を有しており、現在も
火山噴火については、火山灰の堆積による土砂崩れの危険
世界トップクラスの性能です。
が指摘されており、堆積量（火山灰の厚み）を評価する必要
一般にSARは大量のデータを計算機により高速処理するこ
がありました。インターフェロメトリによる地表面高度を比
とにより初めて画像として見ることができます。そのため通
較することにより、この課題に役立つことが分かっていまし
常では画像を再生する処理は飛行機を降りてから処理装置
た。しかし、東日本大震災の処理との輻輳により、この解析
のある研究室で行います。これでは災害などの緊急時にはデ
をタイムリーに行うことができなくなりました。
ータの移動や配送にかかる時間が大きすぎます。そのため、
震災の後、NICTではこうした点を解決するため、大容量
Pi-SAR2では観測を行う機上でも画像再生処理を行うことを
の処理も可能なように処理装置を高速化しました。実績とし
可能としたシステム作りを行いました。
て10倍以上の処理能力の改善が可能になりました。さらに、
Pi-SAR2が初期の性能確認を終え本格的な運用実験を開
この開発成果は機上処理装置にも応用しました。結果とし
始し始めた2011年、2月に九州の霧島・新燃岳の火山噴火
て機上処理でも3km四方のポラリメトリの全データを15分以
が発生して断続的な火山灰により周辺の地域に大きな被害
内に処理する能力を得ています。15分というのは飛行機がコ
を与えました。そして3月には大津波により2万人の命を奪っ
ース変更にかかる時間で、この間には観測を行わずデータ処
た東日本大震災が発生しました。
理にデータレコーダなどの機材のリソースを充てることがで
東日本大震災では、地震発生直後から観測準備を開始し
きます。さらに現在までに機上から商用衛星（インマルサッ
て、翌朝には装置及び航空機のある名古屋空港を飛び立ち
ト）を使用して地上に伝送する機能を備えるなどの改良と試
東北地方から関東地方に及ぶ太平洋沿岸を中心とした広域
験実証を行ってきており、2014年8月に噴火した桜島を観測
な観測を行いました。Pi-SAR2は約7kmの観測幅で50km程
した際には、2km四方の画像領域であれば10分以内にデータ
度を連続してデータを収録することができます。海岸線に沿
伝送まで終了できることを確認しています。
って、一部はコース変更のためデータの空いている部分はあ
りますが、沿岸の約半分を連続的に観測しています。観測し
たデータの一部は機上で処理を行い、航空機を降りてから
3．Pi-SAR2による御嶽山の緊急観測
NICT本部のある東京都小金井市に伝送してその日のうちに
御嶽山の噴火のニュースが報道された直後に、Pi-SAR2の
はデータを公開しました。その後、観測した全データをNICT
チームは観測の準備を開始しました。そして機材を搭載する
本部の研究室に持ち帰って引き続き処理を行いました。大規
航空機が使用可能となった2014年10月2日に観測を実施し
模な災害に対しての24時間以内の迅速的な対応ができたこ
ました。Pi-SAR2を搭載した航空機（ダイヤモンドエアサー
とはPi-SAR2の開発意図を一応は完遂するものでした。
ビス社所有のGulfstream-II）は名古屋空港を離陸し、同日
この経験は、しかしまた、Pi-SAR2を災害に活用するため
の12時45分から14時30分の間に、雲に覆われ噴煙が立ち上
の技術的課題が未了であることも痛感させられました。デー
る御嶽山山頂を囲む様々な方角の九つのコースを飛行しまし
タを迅速に提供することを目的としていた機上処理ですが、
た。航空機の高度は約1万3,000m。御嶽山の山頂が約3,000m
想定外に広域な被害エリアに対して僅かな部分の処理しか間
であり、航空機SARは斜め横を観測しますので、御嶽山から
に合わなかったこと、機上処理はモノクロ（ポラリメトリで
立ち上る噴煙には航空機は影響されず、安全に飛行すること
取得した四つの組合せのデータのうち一つのみを画像化）の
ができます。通常の航空写真の場合には、観測場所の直上
画像のため判読が容易ではありませんでした。これは機上処
を観測することになりますし、また高い解像度を得るために
理だけでなく、研究室での処理でもこれほど大きな領域の処
は通常は地表から3,000m程度より高くは飛ばないため、噴
理を一度に行うことを想定しておらず、全ての画像化には災
煙があると航空機の運用が難しくなります。こうした安全性
害後何日もかかりました。さらに分解能が高くなったことは、
の点からも航空機SARは、活発な活動をする火山観測には正
そのまま画像のファイルサイズが大きくなったことになり、画
にうってつけであると言えます。
像の切り出しや付属情報の添付などデータを送るための準備
九つの観測パスは、ほぼ東西南北の方角に向けて選んでお
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り、観測が終わるごとにコースの向きを変えるため10分から
15分の旋回飛行が挟まります。この間に航空機の中では、直
前に観測したデータを画像にする処理を実施しました。山頂
を中心とする3km四方の画像はすべて30cmの分解能でポラ
リメトリによるカラー合成画像として出力しています。商用
衛星経由で航空機から伝送するには、このままではサイズが
大きいため画素の間引きとデータ圧縮を行います。この日、
航空機からは東西南北の方角から観測した四つの画像を直
接NICT内のサーバに書き込むことにより順次伝送を行いま
した。そのURLを通知することにより火山噴火予知連絡会
（気象庁）に速報しました。また、同時に総務省を通じ関係
機関にも伝えました。
伝送した画像例を図1に示します。Pi-SAR2のポラリメト
リでは送信波と受信波の偏波の四つの組合せ（HH、VV、
HV、VH）が取得できます。HVとVHは原理的に同じ信号に
なりますので、図1では三つの信号HH、VV、HVを光の3原
色である赤（R）
、青（B）
、緑（G）にそれぞれ割り当てるこ
とでカラー化しています。このカラー画像で緑に色付けられ
図２．平成26年10月2日 12:51ころの御嶽山山頂付近のPi-SAR2画像。
図1のデータの一部を拡大したもの（300m×300m）。噴煙に隠れ
て詳細が分からなかった連続した火口の様子を明瞭に判別できる
（印で囲った部分）
。
ているのは、偏波が変化するような地上の様子を反映してい
て、ここでは具体的には植物が存在する状況を示しています。
解能により、これまでどのセンサーでもぼんやりとしか見ら
逆にマゼンタ色（赤と青の合わさった色）になっている場所
れなかった噴火に伴う地形の窪みが線上に連続していること
は、もともと植生がなかったか火山灰で植物が覆い隠された
が詳細に見いだされました。
部分と考えられます。画像を拡大（図2）すると、30cmの分
NICTのWebサイト（注2）からはこれらの速報画像を含め九
図１．御嶽山山頂周辺3km×3kmのPi-SAR2画像を示す。航空機の針路は図の右から左、レーダ電波の照射
方向は上から下。地理的な方位は図左上の矢印の方向が北。偏波観測機能（ポラリメトリ）を用いた
疑似カラー画像であり、緑色に着色された部分は植生を意味する。
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つの観測データをいつでも誰でも見ることができます。この
ていないこと、ポラリメトリは通常の運用ではないことから、
画像にはKMZと呼ばれる形式のファイルがリンクされていま
この点でもPi-SAR2が有用です。さらに、Pi-SAR2が実現し
す。このファイルをダウンロードすることによりPi-SAR2画像
た即時的なデータ提供は、災害の緊急性に大いに役立つと考
をGoogle Earth上に投影して見ることができます。こうした
えられます。
KMZを添付したファイルは機上で自動的に生成しています。
幸いにも現時点の御嶽山ではPi-SAR2のインターフェロメ
そのため大量のデータ伝送が可能となっても、人の手で止ま
トリ機能が活躍する状況ではありませんが、この機能は一般
ることなく処理を進めることができます。
に災害の把握や予測に役に立つ技術です。また、変化を捉
インターフェロメトリについては、現在のところ機上処理
えるという点では、過去の観測データとの比較が有効です。
で行うことまでは実現していません。これは機上の処理で使
NICTではPi-SAR初号機時代からの観測データ（生データ）
用する航空機の飛行経路のデータはリアルタイムのため十分
をアーカイブしており、Pi-SAR及びPi-SAR2の過去データを
な精度ではないことが理由です。研究室にデータを持ち帰っ
検索し自動的に処理するシステムの開発を行っています。
てからの処理では、2m以下の精度で高さのデータを得るこ
NICTでは今回のような災害時の貢献のほかに、これまでの
とができます。御嶽山については、まだこの精度で計測可能
技術を使った実用機への展開やデータを活用するための研究
な地形変化は見られていないため、現状ではこの機能のデー
開発を進めていきます。また、さらに災害時に実際に役立つ
タは活用していませんが、今後、大きな変化が起きるようで
新たな技術開発を目指します。
あれば、すぐにも解析が可能な状況になっています。
最後に、今回の噴火に巻き込まれて亡くなられた方々のご
冥福と一日も早い噴火活動の収束を心からお祈りいたしま
す。
4．おわりに
2000年の有珠山や三宅島のPi-SAR観測で、火山噴火に対
してSARが有用であることが初めて示されたわけですが、今
注
注1：一般に電波は進行方向に直交した電場と磁場が振動し
ながら伝わる。電場の振動する向きのことを偏波
やSARは衛星搭載のSARを中心として火山をモニターするツ
（polarization）と呼ぶ。Pi-SAR及びPi-SAR2では偏波が
ールとして活用されています。現在、利用可能な衛星として
鉛直面内にある垂直偏波（V）と水平面内にある水平偏
は、我が国のALOS-2（だいち）
、ドイツのTerraSAR、イタリ
波（H）の二つの種類の電波を交互に送信し、同じく
アのCosmoSKYMEDなどがあり、衛星の軌道が安定してい
この二つの偏波を受信する。送信波と受信波の四つの
ることを利用し時期の違う非常に近い軌道を用いた差分イン
組合せ（HH、VV、HV、VH）は、地上の状況を反映
するため、地上の様子を知る手掛かりとなる。この手
ターフェロメトリ（注2）という手法を利用することもできます。
法をポラリメトリ（polarimetry）と呼んでいる。
これは地表面の僅かな変動をも計測することが可能な技術で
注2：アンテナを飛行機の進行方向に対して横方向に並べて
す。一方で衛星の軌道の巡り合わせによっては、すぐに観測
設置し、片側のアンテナから送信した電波が地上に反
ができない場合があることや衛星の移動方向がほぼ南北であ
ることから、火山のように起伏の多い場所ではレーダの電波
射して二つのアンテナに受信されるとき、地上の目標
のポイントとアンテナまでの距離が僅かに異なる。こ
の違いを受信信号の干渉を利用して検出すると地上の
がうまく当たらないことも多く起こります。それに比べ、航
目標の高さが検出できる。この手法をインターフェロ
空機はいつでも迅速な観測が可能なこと、目標とする観測地
メトリ（interferometry）と呼ぶ。衛星の場合にはアン
点を多方向から観測できるというメリットがあります。こう
テナを二つ着けることが現実的でないので、違う時期
した点も含めて、今回のPi-SAR2による御嶽山への事例や
で僅かに離れたデータを利用する。この場合には時期
の違いによる地上の変化も含むため、高さ計測には誤
2000年の有珠山や三宅島のように、航空機SARによる火山
差になる反面、地面が変動した場合にはそれを検出す
観測の有効性は高いと考えられます。また、Pi-SAR2のよう
ることもできる。これを差分インターフェロメトリと
に高分解能でかつポラリメトリ機能によるカラー画像は、状
呼ぶ。
況の識別に非常に有効ですが、衛星の分解能はそこまで至っ
注3：URL：http://www2.nict.go.jp/aeri/rrs/pisar2-ontake/
index.html
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