ハイパースペクトルセンサHISUIを利用した二酸化炭素およびメタンガス排出源の検知
Detection of carbon dioxide and methane emission sources using hyperspectral sensor HISUI
株式会社地球科学総合研究所 光原奈美、成田龍彦

一般財団法人宇宙システム開発利用推進機構 武田知己

背景と目的

HISUIセンサの性能

カーボンニュートラル社会移行へ向けて、近年二酸化炭素（CO2）やメタン排出源のモニタリングの需要が高まっているが、既存の温室効果ガス観測技術
衛星は空間分解能が数km（例えばGOSAT-2（いぶき2）は9.7km、Sentinel5Pは7km）であり、ガス排出源の特定やモニタリングは困難である。
一方、国際宇宙ステーション（ISS）に搭載されているHISUI（HyperspectralImager SUIte）センサは20m×31mの高い空間分解能を有する。

HISUIは、経済産業省から委託を受けた一般財団法人宇宙システム開発利用推進機構が開発・運用する宇宙実証用ハイパースペクトルセンサで、2019年12月12日にISSの「きぼう」に設置され、2022年10月12日にデータが一般公開された。

目的
既存のハイパースペクトルセンサ（EO-1 / Hyperion、航空機搭載型センサ
AVIRISなど）で実績のあるCO2およびメタンガス検知手法をHISUIセンサデー
タに適用し、ガス排出源の検知結果について検証する。

VNIR-SWIR spectral bands

EO-1 Hyperion(2000.11 - 2017.3)
VIS

Sentinel-5p(2013.7 - )Sentinel-2 MSI(2015.6 - )電磁エネルギー

1 2

1.3

CH4

1.8
Wavelength (micro meter)

Swath

20km

3

Vagetation

Spectralcoverage400～2,500nm

Spectralresolution

VNIR：10nm
SWIR：12.5nm

Coastal/Aerosol Blue Green

1 2

Numberof band

185 (VNIR：58bands
SWIR：127bands)

0.3

0.5Signal tonoise ratio≧450@620nm≧300@2,100nm

7NIR,Water

4 5 6 7 8, 8a9Red Red Edge Narrow NIR vapor

SWIR-Cirrus

SWIRSWIR

101112SWIR-1

SWIR-2

SWIR-3
SWIR-4

SWIR-6 SWIR-8
SWIR-5 SWIR-7

RedNIRCirrus

SWIR 1SWIR 23459671230.7

20m×31m

SWIR

6Costal GreenRed
Near-IR1
Blue
Yellow Red Edge
Near-IR2

Terra ASTER(1999.12 - )40.9

1.15 6 7

1.3
1.5
1.7
Wavelength (micro meter)

1.9

2.1

89

2.3

2.5

Table 1. Spectral bands of HISUI & other sensor (left) and basic specifications of HISUI (right).

解析手法
i. CO2検知
CO2 CIBR (Continuum Interpolated Band Ratio (Spinetti et al.(2008) ) を適用し、CO2の大気透過率が顕著に減少する波長2,000nm付近の3つのバンド（B146: 1,987.645nm、B148: 2,012.625nmおよびB150: 2,037.605nm）を利用してCO2検知を試みた。

CH4 Transmittance

CO2 Transmittance

CO2242(220） bands

WorldView-3(2014.8 - )地表から反射あるいは放射された電磁エネルギーは、大気中に存在する水蒸気、CO2、メタンなど特定の大気成分により吸収される。CO2、メタンが存在する場所では、特定の波長帯（例えばメタン：2,150～2,450nm付近、CO2：1,980～2,100nm付近）で反射率が小さくなる。この特徴を利用し、CO2やメタンを区別して検知することが可能である。

メタン・CO25Costal
Aerosol Blue Green

光学衛星データを利用したガス検知の基本原理

1.01
10.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
0.930.92

Spatialresolution

NIR1 NIR24Landsat-8 OLI(2013.2 - )

1.05
10.95
0.90.85
0.80.75
0.70.65
0.6185 bands

HISUI(2019.12 - )ii. メタン検知
Bradley et al.（2011）が用いた、メタンの大気透過率が比較的顕著に減少する2,300nm付近のバンド171（2,299.895nm）とCO2の大気透過率の減少するバンド152（2,062.585nm）を利用した比演算処理を行った。

2.3

Fig.1. Schematic diagram of electromagnetic energy attenuation by GHG (left) andCO2 and CH4 transmittances (MODTRAN) (right).

解析結果

Radiance (W/(cm^2*nm*sr)i. 製鉄所を対象にしたCO2検知結果
アノマリ（図中白矢印）は、煙突、フレア、溶鉱炉と推定される建物の上に位置しており、製鉄所から排出された比較的高濃度のCO2の存在を示唆している。

ii. 石油関連施設を対象にしたメタン検知結果
6箇所のアノマリは石油関連設備からの排出を示唆している。下図中央の東北東方向へ延びたアノマリは、HISUI観測時の風向きを反映したものの可能性がある。

CO2 CIBR anomaly

background

製鉄所のCO2 CIBRアノマリとバックグラウンドの放射輝度値が小さい方がよりCO2の高濃度を示唆する

Fig.2. CO2 CIBR map around a steelworks.

Fig.3. Methane anomaly map.

値が小さい方がよりCH4の高濃度を示唆する

HISUIによるCO2の検出限界値の検討

まとめ

本 研 究 で 調 査 対 象 と し た 製 鉄 所 の 2017-2018 の 1 年 間 の 直 接 排 出 量（Scop1）は6,270,000トンであり、大気中への1日あたりの放出量は17,178トンに相当する。したがって、1日あたりのCO2放出量が10,000トンを超えるような事象であれば、HISUIデータからCO2を検知することが可能かもしれない。

i. 既存のハイパースペクトルセンサデータの解析で利用されているCO2 CIBR手法が、HISUIデータへの適用とデータ解析が可能なことを確認した。

火山噴火

イタリア エトナ火山:
11,000～70,000 T/d(Spinetti, C. and Buongiorno, M.F., 2013)

製鉄所: 17,178 T/d
製鉄所

廃棄物
焼却施設

(※ National Greenhouse and Energy Reporting
Rule 2015に基づいて報告された2017-2018の1
年間の直接排出量627万トン/365日
Jai Kant Pandit et al., 2020)

千歳清掃工場: 181.65 T/d(※令和2年度実績 非エネルギー起源CO2排出量66,302 トン/365日
千歳清掃工場環境報告書, 2021)

Fig.4. Comparison of CO2 emissions per day.

ii. 本研究では、10,000トン/日規模の排出源において、CO2検知が可能となったが、CO2検出限界値については、今後、製鉄所よりも小規模なCO2排出源を対象に解析・精査し、検討する必要がある。
iii. メタンについても、既往の単純なバンド間の比演算処理によってアノマリの検知が可能なことを確認した。検出限界値の評価については、今後の課題である。
謝辞
本研究は、経済産業省から委託を受けた一般財団法人宇宙システム開発利用推進機構が実施する「令和3年度石油資源遠隔探知技術研究開発（ハイパースペクトルセンサ等の研究開発）」の一環として実施したものである。
Reference
Bradley, E. S., Leifer, I., Roberts, D. A., Dennison, P. E., and Washburn, L. : Detection of marine methane emissions with AVIRIS
band ratios. Geophys. Res. Lett., vol. 38, 4pp, 2011.
Berk, A., Conforti, P., Kennett, R., Perkins, T., Hawes, F., & van den Bosch, J.: MODTRAN6: a major upgrade of the MODTRAN
radiative transfer code, Proc. Of SPIE 9088, Algorithms and Technologies for Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral
Imagery XX, 90880H, 2014.
Pandit, J and Qader, A. : Reduction of Greenhouse Gas Emission in Steel Production Final Report. CO2CRC Ltd, Melbourne,Australia, CO2CRC Publication Number RPT20-6205, 2020.
Spinetti, C., Carrère, V., Buongiorno, M. F., Sutton, A. J. and Elia, T. : Carbon Dioxide of Pu`u`O`o Volcanic Plume at Kilauea
Retrieved by AVIRIS Hyperspectral Data, Remote Sensing of Environment, Vol. 112, No. 6, pp. 3192-3199, 2008
Spinetti, C. and Buongiorno, M.F. : PRISMA MISSION Volcanic Carbon dioxide measurements from Hyperspectral data. 2013
HyspIRI Science Symposium, Greenbelt, Maryland, 29-30 May 2013.
千歳清掃工場 : 環境報告書2021. 東京二十三区清掃一部事務組合千歳清掃工場, 2021.