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SRTMの観測原理(詳細) その1

・合成開口レーダー(Synthetic Aperture Radar:SAR)

 合成開口レーダーは、マイクロ波を地球に 向かって照射し、反射波を受信することにより地表面の物性や起伏、凸凹、傾斜などを観測する能動型の電波センサーです。また、昼夜の別なく、雲や雨等の天候にもほとんど影響されない全天候型のセンサーです。

SARは、シャトルの飛行(移動)をうまく利用して
レーダー画像を連続的に取得します
NASA/JPL/Caltec

 合成開口レーダーは、マイクロ波を使用する電波センサーであるため、通常のカメラによる観測とは異なり、簡単に画像を得ることはできません。その画像化のためには、計算機を使用した膨大なデータ処理が行われています。

 合成開口レーダーは、直線上を移動しながら一秒間に1,000回以上ものパルス状の電波を地上に発射し、地表面からの反射波を受信します。反射波の強度のみを測定する一般のレーダーとは異なり、合成開口レーダーでは、反射波の大きさ(振幅)と位相を観測します。アンテナを搭載した衛星や航空機の移動に伴って異なる観測位置での同一対象物からの反射波を観測し、この情報を処理することにより、小型のアンテナを使用した場合でも、大型のアンテナで観測したのと同様に高い解像度が得られます。(つまり、小型のアンテナの開口面をたくさん並べて、大きなアンテナを使用した場合と同じ効果を得るものです。ここから、開口面を合成したレーダーということで合成開口レーダーという名称になりました。)

NASA/JPL/Caltec

 宇宙からの合成開口レーダーによる観測は、1978年米国の海洋観測衛星SEASATで始まり、日本の地球資源衛星1号(JERS-1)や、ヨーロッパ宇宙機関のERS-1、ERS-2、カナダのRADARSAT衛星等で行われています。また日本では、通信総合研究所(CRL)や国土地理院等が、航空機に搭載された合成開口レーダーを使用しての観測を行っています。

  
SAR画像の特徴
(SARで取得した画像は、電波の跳ね返りをとらえているため、光学観測と比べると、このように地形や人工の建造物を正しく示さない場合もあるという特徴を持ちます。)
出典:http://southport.jpl.nasa.gov/desc/imagingradarv3.html
NASA/JPL/Caltec

NASDA/EOC

NASDA/EOC
SAR画像光学センサー画像
 SARの画像(左)と光学センサーの画像(右)です。
 光学センサーの映像は帯状に伸びた雲によって地表の状況がわからないのに対し、SARの映像は地表の状況が鮮明に映し出されています。
 左図は光学センサー(LANDSAT)とSAR(SIR-A:スペースシャトルミッション)で観測した同一地域の画像を重ね合わせたものです。
 斜め帯状の部分がSARで取得した画像、その周りの黄色い部分は光学センサーで取得した画像です。現在は砂漠ですが、SARの観測結果から砂層の下に古代の河床があることがわかりました。
 SARには、主にLバンド、Cバンド、Xバンドのマイクロ波周波数帯が使われます。各バンドの波長は、それぞれ15〜30cm、3.75〜7.5cm、2.4〜3.75cmです。波長が異なると、特性も異なります。一般に、短い波長の電波は物質の表面で反射しやすく、長い波長の電波は物質内部にある程度入り込む性質を持っています。波長の1/2を越える大きさの対象物では電波は透過せず反射しますが、波長の1/4未満の大きさでは電波は対象物を透過します。波長の1/2ぐらいの大きさの対象物では、電波は反射と透過の両方が生じます。
 森林を例にすると、Lバンドの波長では葉を透過して幹や地表で反射されます。Xバンドの波長では葉で反射され、Cバンドの波長では葉や枝で反射されますが、条件によっては幹や地表で反射されます。この特性から、Lバンドでは熱帯林、北方林などの植生分布、植生分類がわかります。また、植生の有無、森林伐採や森林火災などによる森林の減少や植林による回復などの変化がわかります。C、Xバンドでは葉や枝による反射強度の違いによって更に農地、草地を含む植生分類への応用が研究されています。
 SARの利用目的は森林分野に限らず、地質、自然災害などの防災、農業利用、雪氷、海洋、惑星探査と多分野にわたります。これらの目的にあわせた波長のSARを航空機や人工衛星に搭載し、地球全体の観測を行っています。
 波長23.5cmのLバンドSARを搭載した日本の地球資源衛星1号(JERS-1)は、その波長特性から資源探査に有効でした。衛星の運用は1998年10月で終了しましたが、運用開始から約6年間に取得したデータは、現在でも多くの研究分野や実利用分野に利用されています。

・インターフェロメトリ(干渉法)、及び3次元地図の作成

 合成開口レーダーで同一地点を少し離れた2ヶ所から観測して、地表の標高情報を得ることをインターフェロメトリ(干渉法)と言います。また、これらの技術を用いて作成された画像をインターフェログラム(干渉写真)と呼びます。しかし、インターフェログラムは、干渉縞を表示したものであり、そのままでは相対的な高度差しか判別できません。 従って、干渉縞を既知の地点の標高と照らし合わせて標高情報を取得します。このようにして取得した数値標高データを計算機で処理する立体的な画像が得られます。

オリジナルの合成開口レーダー画像(富士山)

インターフェログラム画像(富士山)
1つの縞の周期は、147mの高さがあります。

合成開口レーダーの画像とインターフェログラム画像を合成した画像


・立体視の原理

 同一地点を、異なる角度からの2つの視点で見ると、物が立体的に見えます。片目で物を見るのと両目で物を見る時の差を考えてみれば、両目で物を見る場合の立体感が実感できると思います。
 この場合の目の間隔に相当するのが、今回のSRTMの60mのマストであり、目は2つの受信アンテナに相当します。


SRTMの観測原理(詳細) その2に続きます


最終更新日:1999年 8月 27日

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