２．研究成果の説明
２．１

新たな技術を活用した火山観測の高度化(1) 業務の内容(a) 業務題目

課題 B

先端的な火山観測技術の開発

サブテーマ１

新たな技術を活用した火山観測の高度化(b) 担当者
所属機関

機関種別

役職

氏名

東京大学・地震研究所

課題責任機関教授

田中

東京大学・医学部

協力機関

特任教授

林

特任准教授

吉川

宏幸
直人
健啓

関西大学・総合情報学部

協力機関

教授

林 武文

ハンガリー科学アカデミー・

協力機関

グループリーダー

Varga Dezso

ウィグナー物理学研究センター(c) 業務の目的
我が国は世界に先駆けて素粒子ミュオンによる火山透視（ミュオグラフィ）を成功させ、これまでにない解像度で火山浅部の内部構造を画像化した。例えば、浅間山では固結した溶岩の下にマグマ流路の上端部が可視化された。また、薩摩硫黄島ではマグマ柱状端部に発泡マグマが可視化された。これらはすべて静止画像であるが、2009 年の浅間山噴火前後の火口底の一部に固結していた溶岩の一部が吹き飛んだ様子が透視画像の時系列変化として初めて可視化された。さらに、最近では薩摩硫黄島においてマグマの上昇下降を示唆する透視映像が３日間の時間分解能で取得された。
これらの成果は、ミュオグラフィが火山浅部の動的な構造を把握し、噴火様式の予測や、
噴火推移予測に情報を提供できる可能性を示している。しかし、現状ではミュオグラフィ
データ解析に時間がかかり、仮に３日間の観測で十分な統計精度のミュオグラフィデータが得られたとしてもそのデータを即透視画像として提供する事が出来ていない。また、現状では全ての火山学者が透視画像にアクセス出来る状況に無い。これは、解析により生成された透視画像はミュオグラフィ研究者グループの計算機内に保存されており、他の火山学者がそれを閲覧することができないからである。ミュオグラフィ研究者グループ外の研究者が画像を閲覧するためには論文出版等を待つ必要が有るが、それとて必ずしも火山学者が要求する観測期間において生成された透視画像とは限らない。従って、論文出版のみ
では、ユーザーとしての火山学者の要求に十分に答えられているとは言いがたい。上記の
１３

ような理由より火山学者による透視画像の解釈がいっこうに進まず、火山活動とミュオグ
ラフィ透視画像の関連について系統的に評価するまでに至っていない。
そこで、本委託業務では、ミュオグラフィデータを自動的に処理して即透視画像として提供できる自動処理ソフトウェアを開発し、その結果出力される火山体透視画像をオンラ
インデータベース化する事により、リアルタイムで火山学者が透視画像にアクセス出来る環境整備を行う。また、この自動処理ソフトウェアはユーザーが過去のデータも含めて、閲覧したい期間の画像を自由に取り出せるようにウェブベースのソフトウェアとして構築する事とし、効果的なオンラインデータベース構築する。さらにより詳細な火山体浅部の構造を把握するために、ミュオグラフィ観測装置の高解像度化を図る。従来の４倍を超える画素を提供する事で、より鮮明な火山透過像を提供できる。この２つの研究開発を組み合わせ、これまでのミュオグラフィ技術では難しかった噴火様式の予測や噴火推移予測に情報を提供することを目指し、以下の研究を実施する。
1) ミュオグラフィ技術の高度化に関わる研究開発a) 新たな技術を活用した火山観測の高度化に関わる技術開発b) 技 術 検 討 会 の 実 施
2) ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化に関わる研究開発a) ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化に関わる研究開発b) 技 術 検 討 会 の 実 施
3) 次世代火山研究・人材育成総合プロジェクトの統合推進
a) 課題Ｂ「先端的な火山観測技術の開発」の包括的な推進b) サブテーマ１「新たな技術を活用した火山観測の高度化」の推進(d) 10 か年の年次実施計画（過去年度は、実施業務の要約）
1) 平成 28 年度：
桜島に構築されているミュオグラフィ観測点に格納されているミュオン飛跡データ
を観測点から高速にかつ安定的に自動転送するシステムをレンタル共用サーバー上のウェブサイトに構築した。一方で平成 32 年度のミュオグラフィ観測システム(MOS)への実装を目指して超軽量、高解像度ミュオン検出器の開発に取り掛かった。
2) 平成 29 年度：
平成 28 年度に完成した高速自動データ転送するシステムに加えてミュオグラフィデータの連結プロセス（ミュオン飛跡のトラッキング）を自動化した。さらに、高速自動データ連結ソフトウェアを平成 28 年度に構築したウェブサイトに実装した。一方で平成 32 年度のミュオグラフィ観測システム(MOS)への実装を目指して超軽量、高解像度ミュオン検出器の開発を継続した。
3) 平成 30 年度：
連結されたミュオグラフィデータをユーザーが様々な組み合わせで集計できるシステム構築を目指して、ウェブサイト上でユーザーが入力するパラメータに応じてミュオ
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4) 平成 31 年度（令和元年度）：
平成 30 年度までに構築されたインタラクティブ集計ソフトウェアの出力結果から自動で画像を生成し、データベースに順次格納していくソフトウェアの開発を行った。ウェブサイトには画像の検索機能も実装し、１日１枚の火山透視画像の提供を開始した。
また、ミュオグラフィ画像集計アプリケーションを提供の提供を開始する一方、超軽量、高解像度ミュオン検出器の開発を完了した。
5) 令和 2 年度：
令和元年度までに開発が完了している超軽量、高解像度ミュオン検出器をミュオグラ
フィ観測システム（MOS）へ実装することで第三世代超高解像度ミュオグラフィ観測シス
テム（G-MOS）の製作を完了し、G-MOS の総重量測定を行うことで軽量化の実証を行った。
並行して第二世代 MOS による１日１枚の火山透視画像の提供を継続している。
6) 令和 3 年度：
令和 2 年度までに開発が完了している G-MOS を桜島へ投入し、試験観測を行うこと
で、第二世代 MOS と比べて解像度が向上していることを検証する。並行して第二世代
MOS による１日１枚の火山透視画像の提供を継続する。
7) 令和 4 年度：
令和 3 年度までに検証された G-MOS を用いて桜島観測を開始する。得られる観測データに令和元年度までに完成している自動画像生成、データベース構築ソフトウェアの試験運用を行い、高解像度火山透視画像の自動生成に必要なソフトウェアの機能要件をまとめる。高解像度化によるデータ量の増大に対処するため、令和 4 年度からより高速のサーバーを利用する。１日１枚の第三世代高解像度火山透視画像の提供を開始する。
8) 令和 5 年度：
令和 5 年度は高解像度化に伴うデータ量の格段の増大に対応できる自動画像生成ソフ
トウェアを完成させ、桜島透視画像の生成において更なる安定化を図る。１日１枚の第三世代高解像度火山透視画像（画素数 3481）の提供を継続する。
9) 令和 6 年度：
令和 6 年度は医療現場で実用化されつつある機械学習による X 線レントゲン写真の自動診断技術を令和５年までに蓄積されている第 2 世代、第 3 世代の火山透視画像データ
ベースに応用することで、ミュオグラフィ火山透視画像の自動診断技術を開発する。これにより、短い露光時間による画像のランダムな揺らぎの中から噴火や火口近傍の変化とミュオグラフィ画像の変化の相関を定量化できる。
10）令和 7 年度：
令和 6 年度までに火口近傍の内部構造の変化に対して機械学習された自動診断技術の適用により、令和７年度以降、透視画像の自動診断結果をリアルタイムに提供する。桜島浅部構造の透視画像データベースの構築を完了する。
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(e) 令和２年度の業務目的
1) ミュオグラフィ技術の高度化に関わる研究開発a) 新たな技術を活用した火山観測の高度化に関わる技術開発
当初、事業開始後７年目に「１日１枚の高解像度透視画像（画素数 3481）の提供を開始」及び「高解像度火山透視画像自動生成、データベース自動構築システムの試験運用」を行う予定であったが、事業開始後 4 年目において目標画素数を大きく上回る
24,639 画素の透視画像自動生成、データベース自動構築システムの試験運用に到達した。そのため、2020 年度は 2019 年度に開発が完了した 24,639 画素の超軽量高解像度
ミュオグラフィ観測システムを桜島ミュオグラフィ観測所に投入して、従来システムと比して有感面積を拡大することで、より短時間での高精細透視画像の取得を目指す。
そのために天井クレーン設備付き高耐床荷重実験室を引き続き借用する。ハンガリー
科学アカデミーウィグナー物理学研究センター出身の比例計数管のエキスパートを2020 年度も引き続き採用する。
b) 技術検討会の実施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像度火山透過
システム技術検討会を実施する。
2) ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化に関わる研究開発a) ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化に関わる研究開発
当初、事業開始後７年目に「１日１枚の高解像度透視画像（画素数 3481）の提供を開始」及び「高解像度火山透視画像自動生成、データベース自動構築システムの試験運用」を行う予定であったが、事業開始後 4 年目において目標画素数を大きく上回る
24,639 画素の透視画像自動生成、データベース自動構築システムの試験運用に到達した。そのため、2020 年度は、2019 年度までに構築したデータ出力結果から自動で画像を生成し、データベースに順次格納していくソフトウェアを 24,639 画素の透視画像に対応させるための改造を行い、高精細火山密度マッピングの提供を開始する。また、並行してミュオグラフィ画像集計アプリケーションも改造する。課題 B 内、課題 D、
また災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画と連携することで、得られた観測データが火山のどのような性質を示し、火山噴火予測にどう役立つかの検討を行う。
b) 技術検討会の実施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像度火山透過
システム技術検討会を実施する。
3) 次 世 代 火 山 研 究 ・ 人 材 育 成 総 合 プ ロ ジ ェ ク ト の統合推進a) 課 題 Ｂ 「 先 端 的 な 火 山 観 測 技 術 の 開 発 」 の 包 括 的 な 推 進
本課題で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するため、本
課題の分担責任者会議を開催する。そこで、各サブプロジェクトの進行状況
１６

に関する情報交換と協力体制の構築を行う。また、課題責任者及び分担責任者が中心となって成果報告書をまとめる。
b) サブテーマ１「新たな技術を活用した火山観測の高度化」の推進
本サブテーマの代表機関、協力機関が参加する「新たな技術を活用した火山観測の高度化検討会」を開催し、具体的な実施内容を検討する。各種ツールの開発状況についての情報交換も行う。
4) ミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動
a) ミ ュ オ グ ラ フ ィ の 正 し い 理 解 展 。大 型 商 業 施 設 、博 物 館 等 で 展 示 を 行 う 。
そのために桜島を対象としたミュオグラフィ画像のＶＲ・ＡＲによるデジタ
ル可視化、アウトリーチ用ミュオグラフィ映像を制作してミュオグラフィの理解の普及啓発に用いる。
b) 大阪市立科学館でミュオグラフィ観測装置を展示する。
c) 公開講演会。一般向け公開講演会を実施する。
d) ポスター制作などを通してミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動を実施する。
e) WEB 等を活用した一般への情報発信や普及啓発に努める。
(2) 令和２年度の成果(a) 業務の要約
1) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 技 術 の 高 度 化 に関わる研究開発a) 新 た な 技 術 を 活 用 し た 火 山 観 測 の 高 度 化 に 関 わ る 技 術 開 発
リアルタイム高解像度透視画像を一日一枚提供できるよう大規模デー
タ 処 理 に 耐 え う る 自 動 処 理 シ ス テ ム の 高 速 化 、大 容 量 化 を 進 め た 。そ の 結
果 2 01 9 年 、昭 和 火 口 か ら 南 岳 火 口 へ の 噴 火 推 移 の タ イ ミ ン グ で 昭 和 火 口 の
下 に プ ラ グ 様 の 高 密 度 物 質 が 形 成 さ れ て い る こ と が 分 か っ た 。2 01 9 年 、昭和火口から南岳火口への噴火推移のタイミングで形成された昭和火口下の プ ラ グ 様 の 高 密 度 物 質 に つ い て 、火 山 噴 火 予 知 連 絡 会 、災 害 の 軽 減 に 貢
献 す る た め の 地 震 火 山 観 測 研 究 計 画 の 推 進 に つ い て（ 第 ２ 次 ）」火 山 部 会
研 究 集 会 に お い て 桜 島 火 山 の 専 門 家 と d i s cu s si o n を 行 っ た 結 果 、高 密 度 物
体 の 規 模 感 や 位 置 か ら 南 岳 噴 火 の 活 発 化 に 伴 う 、南 岳 火 口 の プ ラ グ 形 成 では な い か と い う 意 見 が 出 た 。こ の 仮 説 を 検 証 す る た め に 、よ り 、口 径 を 拡
大 す る こ と で 時 間 分 解 能 を 上 げ た 結 果 、南 岳 火 口 下 に プ ラ グ 形 成 を 示 唆 する高密度構造物の成長が見られた。
b) 技 術 検 討 会 の 実 施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像度火山透過システム技術検討会を実施した。
2) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 の デ ー タ 処 理 の 自 動 化 に 関 わ る 研 究 開 発a) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 の デ ー タ 処 理 の 自 動 化 に 関 わ る 研 究 開 発
2020年 度 ま で に 行 っ た ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 デ ー タ 自 動 処 理 シ ス テ ム を 桜 島
ミュオグラフィ連続観測結果へ適用し、更にこれをウェブサイトへ実装する
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こ と で 、リ ア ル タ イ ム に 桜 島 浅 部 の 透 視 画 像（ 1 0 0 m の 空 間 分 解 能 ）を 一 日 一
枚 提 供 す る 環 境 を 整 え た 。更 に 、機 械 学 習（ C N N ）に よ る 噴 火 判 定 プ ロ グ ラ ム
を 開 発 、過 去 7 日 間 の 連 続 透 視 画 像 を 学 習 し た 結 果 を 翌 日 の 噴 火 の 有 無 の 判 定に 適 用 し た 。 そ の 結 果 、 実 際 の 噴 火 の 有 無 の 一 致 を 示 す 正 答 率 （ accuracy）
は 71％ で 、 過 去 7日 間 に 噴 火 し た 日 数 を 基 に し た 予 測 の 正 答 率 の 57%を 上 回 った。結果については、災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画の推 進 に つ い て（ 第 ２ 次 ）」火 山 部 会 研 究 集 会 及 び 令 和 2 年 度「 災 害 の 軽 減 に 貢
献 す る た め の 地 震 火 山 観 測 研 究 計 画（ 第 ２ 次 ）」成 果 報 告 シ ン ポ ジ ウ ム に お
い て 桜 島 火 山 の 専 門 家 と d i sc u ss i on を 行 っ た 。
b) 技 術 検 討 会 の 実 施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像
度火山透過システム技術検討会を実施した。
3) 次 世 代 火 山 研 究 ・ 人 材 育 成 総 合 プ ロ ジ ェ ク ト の統合推進
ａ) 課題Ｂ「先端的な火山観測技術の開発」の包括的な推進
本課題で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するため、本課題の分
担責任者会議を開催した。そこで、各サブプロジェクトの進行状況に関する情報交換と協力体制の構築を行った。また、課題責任者及び分担責任者が中心となって成果報
告書をまとめた。
ｂ) サブテーマ１「新たな技術を活用した火山観測の高度化」の推進得られたデータについては課題 A「各種観測データの一元化」と共有することで課
題間連携を進めている。２０２１年１月４日にサブテーマ代表者会議を開催して、サブテーマ間の連携を推進した。
4) ミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動
a) ミ ュ オ グ ラ フ ィ の 正 し い 理 解 展 を グ ラ ン フ ロ ン ト 大 阪 で 展 示 を 実 施 し た 。
桜島を対象としたミュオグラフィ画像のＶＲ・ＡＲによるデジタル可視化、
アウトリーチ用ミュオグラフィ映像を制作して、展示、普及啓発に用いた。
b) 大 阪 市 立 科 学 館 で ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 装 置 並 び に 解 説 パ ネ ル を 引 き 続 き
展示した。
c) 一 般 向 け 公 開 講 演 会 を 大 阪 府 に て 実 施 し た 。
d) ポ ス タ ー 制 作 な ど を 行 い 、 グ ラ ン フ ロ ン ト 大 阪 で 展 示 し た 。
e) WEB 等 や バ ー チ ャ ル ギ ャ ラ リ ー を 活 用 し た 一 般 へ の 情 報 発 信 や 普 及 啓発を行った。
(b) 業務の実施方法
1）ミ ュ オ グ ラ フ ィ 技 術 の 高 度 化 に関わる研究開発a) 新 た な 技 術 を 活 用 し た 火 山 観 測 の 高 度 化 に 関 わ る 技 術 開 発
a- 1 . 超 軽 量 高 解 像 度 ミ ュ オ ン 検 出 器 を ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 シ ス テ ム ( M O S) へ
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の実装。
a- 2 . 天 井 ク レ ー ン 設 備 付 き 高 耐 床 荷 重 実 験 室 の 借 用 。
a- 3 . 高 解 像 度 火 山 透 過 シ ス テ ム の 並 列 展 開 。
a- 4 .

アカデミーウィグナー物理学研究センター出身の比例計数管のエキス

パートの採用。
b) 技 術 検 討 会 の 実 施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像度
火山透過システム技術検討会の実施。
2） ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 の デ ー タ 処 理 の 自 動 化 に 関 わ る 研 究 開 発a) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 の デ ー タ 処 理 の 自 動 化 に 関 わ る 研 究 開 発
a- 1 .

インタラクティブデータ集計ソフトウェアの出力結果から自動で画像を生成し、データベースに順次格納していくソフトウェアの開発。
a- 2 . ウ ェ ブ サ イ ト へ の 画 像 の 検 索 機 能 を 実 装 。
a- 3 . 高 速 大 容 量 サ ー バ ー の 賃 借 。
a- 4 . ミ ュ オ グ ラ フ ィ 以 外 の 火 山 観 測 結 果 と の 比 較 。
a- 5 . 課 題 B 内 で の 成 果 の 共 有 、 議 論
a- 6 . 課 題 D と の デ ー タ の 共 有
a- 7 .

「災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画の推進について（第２次）」火山部会研究集会及び成果報告シンポジウムにおける火山研究
者との成果の共有、議論b) 技 術 検 討 会 の 実 施
本サブテーマの代表機関、協力機関が参加する「新たな技術を活用した火山観測の高度化検討会」の開催。
3）次 世 代 火 山 研 究 ・ 人 材 育 成 総 合 プ ロ ジ ェ ク ト の統合推進
a) 課題Ｂ「先端的な火山観測技術の開発」の包括的な推進
本課題で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するための、本課題の分
担責任者会議の開催。
b) サブテーマ１「新たな技術を活用した火山観測の高度化」の推進「新たな技術を活用した火山観測の高度化」で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するための、本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、
軽量、高解像度火山透過システム技術検討会の開催。
4）ミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動
a) 大 型 商 業 施 設 、 博 物 館 等 で の 展 示 。 ３ D CG モ デ ル デ ー タ 、 パ ノ ラ マ 画 像 、
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ミュオンパーティクルなどのエフェクトの制作。桜島並びに軽量、高解像度
火山透過システムのデジタルモデリング。ミュオグラフィ観測装置に拡張現
実 を 付 加 し た シ ス テ ム の 導 入 。桜 島 を 対 象 と し た ミ ュ オ グ ラ フ ィ 画 像 の Ｖ Ｒ・
ＡＲによるデジタル可視化コンテンツの作成。
b) 大 阪 市 立 科 学 館 に お け る 展 示c) 一 般 向 け 公 開 講 演 会 の 実 施d) ポ ス タ ー 制 作e) ウ ェ ブ サ イ ト の 構 築 並 び に コ ン テ ン ツ 作 成(c) 業務の成果
1) ミュオグラフィ技術の高度化に関わる研究開発
ミュオグラフィ観測装置の高解像度化を図ってきた。当初は従来の４倍（画素数 3481）を超える画素を提供する事で、より鮮明な火山透過像を提供する計画であったが、事業開始後 4 年目において目標画素数を大きく上回る 24,639 画素の透視画像自動生成、データベース自動構築システムの試験運用に到達した。この高精細ミュオグラフィ観測シ
ステムを桜島ミュオグラフィ観測点へ投入し、先のミュオグラフィ観測データ自動処理システムと組み合わせる事でリアルタイム高解像度透視画像を一日一枚提供できるよ
う、３０倍のデータ処理に耐えうる自動処理システムの高速化、大容量化を進めた。その結果 2019 年には、昭和火口から南岳火口への噴火推移のタイミングで昭和火口の下にプラグ様の高密度物質が形成されていることが分かった。同年、昭和火口から南岳火口への噴火推移のタイミングで形成された昭和火口下のプラグ様の高密度物質について、火山噴火予知連絡会（2019 年 12 月

開催場所：気象庁）、災害の軽減に貢献するた

めの地震火山観測研究計画の推進について（第２次）」火山部会研究集会（開催日：2020
年（令和 2 年）2 月 27 日（木）・28 日（金）開催場所：東京大学地震研究所 1 号館 2 階
セミナー室）の中で桜島火山の専門家と discussion を行った結果、高密度物体の規模感や位置から南岳噴火の活発化に伴う、南岳火口のプラグ形成ではないかという意見が出た。この仮説を検証するために、より、口径を拡大することで時間分解能を上げ、 2020
年度も引き続き時系列画像を取得した。
表１に２０１７年から順次口径拡大を行ってきた軽量高解像度火山透視システムのデータ取得規模の推移を示す。２０１７年１月から 10 月の間の１６９日間（一部機器停止期間あり）に軽量高解像度火山透視システムに記録されたミュオン飛跡数は 106 万
8000 本であったが、２０２０年１月から６月の１３７日間（一部機器停止期間あり）に同システムに記録されたミュオン飛跡数は 1307 万 4000 本となり、一桁以上向上した。
その間に同システムの有感面積は０．６４㎡から８．３２㎡へと拡大した。ミュオンの飛跡数が増えるということは、ミュオンのカウント数に付随する統計誤差が減ることを意味しており、それだけ画像のコントラストが上がる。その結果、より小さな密度変化も捉えられるようになる。これを言い換えると、同じ密度変化を追うのであれば、より高い時間分解能で画像取得が達成可能となる（同じ時間分解能、同じ密度変化を追うのであれば画像の解像度が上がる）ことを意味している。
結果、南岳火口下にプラグ形成を示唆する高密度構造物の成長が見られた（図１）。また、図２に２０１７年に取得された透視画像との比較を示す。画像の解像度が上がり、２０

より細かい構造を確認できるようになったことが分かる。 2019 年度まではミュオント
ラック数の多いところは細かいピクセルで表示できるようになったが、統計誤差からくるピクセルカラーの揺らぎを抑えるために、岩盤が厚い領域（低仰角領域）のピクセルの大きさは大きかった。２０２０年度には更に同じ深さでも画像の解像度を上げることに成功した。
表１. 軽量高解像度火山透視システムのデータ取得規模の時間推移。同システムの有感面積の時間推移も合わせて示す。

図１. プラグ形成を示唆する南岳火口下の高密度構造物の成長。（上）２０１９年
9 月から２０２０年１月の間に取得されたミュオグラフィ透視画像。（下）２０２
０年１月１５日からを年６月１日の間に取得されたミュオグラフィ透視画像。縦軸のスケールは上下の画像で同じである。密度値はカラースケールで示されており、上下の画像で同じある。黒線は昭和火口と南岳火口の断面を示す。

２１

図２. 透視画像解像度の比較。上（a）２０１７年１月から 10 月の間に取得された透視画
像、 上(b)２０１８年２月から６月の間に取得された透視画像、下（a）２０１９年 9 月から２０２０年１月の間に取得された透視画像、下(b) ２０２０年１月から２０２０年６月の間に取得された透視画像。

図３. 桜島浅部の透視画像の機械学習（CNN）による噴火判定プログラム概要。7 日間中断なく計測された連続した透視画像を学習してその翌日の噴火の有無を判定することを目的
とした 。

２２

2) ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化に関わる研究開発
ミュオグラフィデータを自動的に処理して即透視画像として提供できる自動処理ソフ
トウェアを開発し、その結果出力される火山体透視画像をオンラインデータベース化する事により、リアルタイムで火山学者が透視画像にアクセス出来る環境整備を行ってきた。噴火現象を含む火山活動の推移に伴う火口近傍の変化を、リアルタイムに噴火予測や防災に対応するため、２０２０年度までにミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化を行った。このミュオグラフィ観測データ自動処理システムを桜島観測で得られるミュ
オグラフィ連続観測結果へ適用し、更にこれをウェブサイトへ実装することで、リアル
タイムに桜島浅部の透視画像（100 m の空間分解能）を一日一枚提供する環境を整えた。
この自動処理ソフトウェアはユーザーが過去のデータも含めて、閲覧したい期間の画像を自由に取り出せるようにウェブベースのソフトウェアとして構築する事ができる、効果的なオンラインデータベースとして構築した。自動化システムをウェブサイトへ実装した。ウェブサイトに画像検索機能を実装した。ミュオグラフィデータの自動処理から
１日１枚の高精細火山密度マッピングの提供を開始した。
桜島浅部の透視画像（800 画素：100 m の空間分解能）の自動処理の一環として、機械学習（CNN）による噴火判定プログラムを開発した。プログラムの性能を確認するた
めに、過去 7 日間の連続透視画像を学習した結果を翌日の噴火の有無の判定に適用した（図３）。その際 a) 7 日間中断なく計測されたデータのみを使用 b) training, validation,
test でデータの重複がないようにした（eruption day が他のデータの prediction day に含まれないように調整）c) 噴火の有無を半々となるように調整を行った。具体的な学習

データの期間、噴火予測の対象とした期間は表２の通りである。その結果、得られたReceiver Operatorating Characteristic (ROC)曲線を図４に示す。同図には噴火の有無の判定に用いた透視画像 の 領域も示す。学習デー タ 期間外のデータに適用 し た場合 噴火予測と実際の噴火の有無の一致を示す正答率（accuracy）は 71％で、過去 7 日間に噴火した日数を基にした予測の正答率の 57%を上回った。噴火しない日を正しく噴火しないと予測できた割合は約 85%とさらに高かった（表３）。
結果については、分担責任者会議（開催日：2021 年（令和 3 年）1 月 4 日、開催場
所：オンライン）、災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画の推進について（第２次）」火山部会研究集会（開催日：2021 年（令和 3 年）3 月 3 日・4 日、開催場
所：オンライン）及び令和 2 年度「災害の軽減に貢献するための地震火山 観測研究計
画（第２次）」成果報告シンポジウム （開催日：2021 年（令和 3 年）3 月 16-17 日、開催場所：オンライン）の中で桜島火山の専門家と discussion を行い、情報を共有した。
また、課題 D とデータを共有した。
表２.

学習データ期間、噴火予測対象期間一覧。

使用画像枚数期間

training 382 枚(true: 191 枚)

2014-11-19 00:00:00 ～2016-01-28 23:59:59

Validation 40 枚(true: 20 枚)

2016-02-07 0:00:00 ～2016-03-17 23:59:59

Test 42 枚(true: 21 枚) 期間:

2016-03-24 00:00:00 ～2016-05-11 23:59:59 )２３

表３. 噴火の有無の判定に用いた透視画像領域における噴火判定プログラムのパフォーマンス
一覧
MethodInput region

Accuracy

Sensitivity

CNN model

Showa crater

0.714

0.571

Minamidake craters

0.667

Specificity

0.857
0.523

0.810
Surface

0.524

0.333

0.714

All segments

0.643

0.619

0.667

Rule-based

0.571

SVM model (Showa crater region)

0.523

0.619

NN model (Showa crater region)

0.619

0.667
0.548

0.571

0.286

0.810

図 ４ . 噴 火 の 有 無 の 判 定 に 用 い た 透 視 画 像 の 領 域 と そ れ ら に 対 応 す る Receiver Operatorating
Characteristic (ROC)曲線.（A） Showa crater、（B）Minamidake craters、（C）Surface、（D）
All segments.

２４

桜島ミュオグラフィ透視画像の機械学習の結果は Scientific Reports 誌に 2020 年
公表した（Nomura et al. 2020）。この成果は米国地球物理学連合（AGU）のニュース
レターEOS において報じられた。機械学習によって得られた判定率が切迫性評価を示す
材料になるかについては，火山学の各分野の研究者とさらに連携して検討していく．
3) 次世代火山研究・人材育成総合プロジェクトの統合推進
本課題で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するための、2021 年 1 月
4 日オンラインにおいて開催された本課題の分担責任者会議において、各課題、サブテーマの連携方策、各サブテーマの成果についての情報交換をスライドやフォローアップ
資料等を持ちより行った。上記に示すようなミュオグラフィ観測により得られた観測データが火山のどのような性質を示し、火山噴火予測にどう役立つかの検討を行った。また、「新たな技術を活用した火山観測の高度化」で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するために軽量、高解像度火山透過システム技術検討会を複数回オンラインで実施した。
4) ミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動
a) ミ ュ オ グ ラ フ ィ の 正 し い 理 解 展 。大 型 商 業 施 設 、博 物 館 等 で 展 示 を 行 う ために桜島を対象として作成したミュオグラフィ画像のＶＲ・ＡＲによるデジ
タ ル 可 視 化 コ ン テ ン ツ に ３ D C G モ デ ル デ ー タ 、パ ノ ラ マ 画 像 、ミ ュ オ ン パ ー ティクルなどのエフェクトを高解像度火山透過システムのデジタルモデリングに付加して、ミュオグラフィの理解の普及啓発に用いた（図５）。感染症対策 の 上 、 グ ラ ン フ ロ ン ト 大 阪 ナ レ ッ ジ キ ャ ピ タ ル で 2 0 20 年 8 月 2 5 日 〜 １ 週 間展示を実施した。

図５. 桜島を対象とした３DCG モデルデータ。感染症対策の上、ナレッジキャピタルで 2020 年 8 月
25 日〜１週間 展示会で用いられた.

b) 大 阪 市 立 科 学 館 に て 引 き 続 き ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 装 置 の 展 示 を 続 け た 。
２５

図６. グランフロント大阪ナレッジキャピタルで実施したパネル講演会.フェイス
シールド着用等感染症の対策を講じた.

c) グ ラ ン フ ロ ン ト 大 阪 ナ レ ッ ジ キ ャ ピ タ ル の 展 示 期 間 中 （ 2 02 0 年 8 月 2 5 日〜１週間）に感染症対策の上、パネル講演会を実施した（図６）。講演内容
は Y ou t ub e を 介 し て オ ン ラ イ ン 配 信 さ れ た 。
d) ポ ス タ ー 製 作 を 通 し て ミ ュ オ グ ラ フ ィ の 正 し い 理 解 の 社 会 へ の 普 及 活 動
を 行 っ た（ 図 ７ ）。ポ ス タ ー 等 は ナ レ ッ ジ キ ャ ピ タ ル で 2 0 2 0 年 ９ 月 １ 日 〜 １
１月３０日の間展示された。
e) WE B サ イ ト を 活 用 し て イ ベ ン ト 告 知 、 関 係 す る 資 料 の 一 覧 、 ア ー ト を 活 用
した啓蒙活動などの成果を発信した。

図７

ナレッジキャピタルで 2020 年 ９月１日〜１１月３０日の間展示されたミュオグラフィの正しい

理解の社会への普及 活動の ためのポスター、及 び、桜 島を対象とし たミュ オグラ フィ画像のＶＲ・ＡＲによるデジタル可視化コンテンツ.

２６(d) 結論ならびに今後の課題
高精細ミュオグラフィ観測システムを桜島ミュオグラフィ観測点へ投入し、先のミュオグラフィ観測データ自動処理システムと組み合わせる事でリアルタイム高解像度透視画
像を一日一枚提供できるよう、３０倍のデータ処理に耐えうる自動処理システムの高速化、大容量化を進めた。より、口径を拡大することで時間分解能を上げ、2020 年度も引き続き時系列画像を取得していった結果、南岳火口下にプラグ形成を示唆する高密度構
造物の成長が見られた。また、ミュオグラフィデータを自動的に処理して即透視画像として提供できる自動処理ソフトウェアを開発し、その結果出力される火山体透視画像をオン
ラインデータベース化する事により、リアルタイムで火山学者が透視画像にアクセス出来る環境整備を行った。桜島浅部の透視画像（800 画素：100 m の空間分解能）の自動処理の一環として、機械学習（CNN）による噴火判定プログラムを開発した。プログラムの性能を確認するために、過去 7 日間の連続透視画像を学習した結果を翌日の噴火の有無の判定に適用した。 その結果、学習データ期間外のデータに適用した場合 噴火予測と実際の噴火の有無の一致を示す正答率（accuracy）は 71％で、過去 7 日間に噴火した日数を基にした予測の正答率の 57%を上回った。今回、機械学習による噴火判定には、800 画素の透視画像を利用されているが、24,639 画素数の透視画像は利用されなかった。24,639 画素の画像を用いれば、情報量が増えるため正答率が上がることが期待されるが、増大する膨大なデータ処理を高速に行い、機械学習の効率を向上させることが今後の課題である。
(e) 引用文献
1) Yukihiro Nomura, Mitsutaka Nemoto, Naoto Hayashi, Shouhei Hanaoka, Masaki
Murata, Takeharu Yoshikawa, Yoshitaka Masutani, Eriko Maeda, Osamu Abe &Hiroyuki K. M. Tanaka Pilot study of eruption forecasting with muography using
convolutional neural network. Sci Rep 10, 5272 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41598-020-62342-y(f) 特許出願，ソフトウェア開発，仕様・標準等の策定
1)特許出願なし2)ソフトウェア開発なし
3) 仕様・標準等の策定なし

２７(3) 令和３年度の業務計画案(a) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 技 術 の 高 度 化 に関わる研究開発
1) 新 た な 技 術 を 活 用 し た 火 山 観 測 の 高 度 化 に 関 わ る 技 術 開 発
20 20 年 度 は 2 01 9 年 度 に 開 発 が 完 了 し た 2 4 ,6 39 画 素 の 超 軽 量 高 解 像 度 ミ ュ オ
グラフィ観測システムを桜島ミュオグラフィ観測所に投入して、従来システムと比して有感面積を拡大することで、より短時間での高精細透視画像を取得す
る こ と に 成 功 し た 。 2 02 1 年 度 も 引 き 続 き 桜 島 に お い て 超 軽 量 高 解 像 度 ミ ュ オ グ
ラフィ観測システムの拡張を続け、時間分解能を向上させる。そのために天井クレーン設備付き高耐床荷重実験室を引き続き借用する。ハンガリー科学アカデミーウィグナー物理学研究センター出身の比例計数管のエキスパートを
20 2 0 年 度 も 引 き 続 き 採 用 す る 。 2 0 1 9 年 度 か ら 桜 島 以 外 で ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 可
能な火山を検討してきた。その結果、エトナ火山において、既にエトナミュオ
グ ラ フ ィ 観 測 所（ E M O ）が 構 築 さ れ て い る こ と が 分 か り 、本 事 業 で 開 発 し た 超 軽量高解像度ミュオグラフィ観測システムを投入することで、現実的なタイムス
ケールとコストでエトナ火山の透視解像度の向上を図るｋとができる。そのため 、2 0 21 年 度 は 同 機 を E MO に 投 入 す る た め の 準 備 を 行 い 、イ タ リ ア 火 山 学 物 理 学
研 究 所 （ I N G V ） の 火 山 学 研 究 者 、 イ タ リ ア 原 子 核 物 理 学 研 究 所 （ I NF N ） の 物 理
学研究者と連携することでそのためのロジスティクスを完成させる。また、IN F N, I N GV の 研 究 者 と 連 携 す る こ と で 、 こ れ ま で 得 ら れ て い る 桜 島 と エ ト ナ 火山のミュオグラフィデータの比較を行う。ハンガリー科学アカデミーウィグナ
ー物理学研究センター内に日ハンガリー共用ラボが形成されており、新型感染症 に よ る 我 が 国 と 欧 州 と の 間 に 流 動 制 限 が あ っ た と し て も EU 内 で 閉 じ た 業 務達成が可能である。
2) 技 術 検 討 会 の 実 施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像度
火山透過システム技術検討会を実施する。
(b ) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 の デ ー タ 処 理 の 自 動 化 に 関 わ る 研 究 開 発
1) ミ ュ オ グ ラ フ ィ 観 測 の デ ー タ 処 理 の 自 動 化 に 関 わ る 研 究 開 発
20 2 0 年 度 は 、 2 0 19 年 度 ま で に 構 築 し た デ ー タ 出 力 結 果 か ら 自 動 で 画 像 を 生 成
し 、 デ ー タ ベ ー ス に 順 次 格 納 し て い く ソ フ ト ウ ェ ア を 2 4 , 63 9 画 素 の 透 視 画 像 に対応させるための改造を行い、高精細火山密度マッピングの提供を開始した。
一 方 で 、 2 0 20 年 度 に は 、 既 に 可 能 と な っ て い る 「 １ 日 １ 枚 の 高 解 像 度 透 視 画 像（ 画 素 数 3481） 」 を 機 械 学 習 す る こ と で ７ 割 を 超 え る 噴 火 予 測 の 正 答 率 を 得 る
こ と に 成 功 し た 。 2 4 , 63 9 画 素 の 画 像 を 用 い れ ば 、 情 報 量 が 格 段 に 増 え る た め 正
答 率 が 上 が る こ と が 期 待 さ れ る 。 2 0 2 1 年 度 に は 、 2 4 ,6 3 9 画 素 の 画 像 を 利 用 す る
こ と で 予 測 精 度 を 高 め る 。増 大 す る 膨 大 な デ ー タ 処 理 に 対 応 さ せ る た め 、G P U 搭
載高速計算機を調達することで機械学習の効率を向上させる。
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また、並行してミュオグラフィ画像集計アプリケーションもエトナ火山のデー タ も 集 計 で き る よ う に 改 造 す る 。 課 題 B内 、 課 題 D、 ま た 「 災 害 の 軽 減 に 貢 献
す る た め の 地 震 火 山 観 測 研 究 計 画（ 第 2 次 ）」と 連 携 す る こ と で 、得 ら れ た 観 測
データが火山のどのような性質を示し、火山噴火予測にどう役立つかの検討を行う。
2) 技 術 検 討 会 の 実 施
本事業の他の課題及び本委託業務のサブテーマと連携した、軽量、高解像度
火山透過システム技術検討会を実施する。
(c) 本 委 託 事 業 の推進
1) 課題Ｂ「先端的な火山観測技術の開発」の包括的な推進
本課題で開発を目指す先端的な火山観測技術を効率的に推進するため、本課題の分担
責任者会議を開催する。そこで、各サブプロジェクトの進行状況に関する情報交換と協力体制の構築を行う。また、課題責任者及び分担責任者が中心となって成果報告書をまとめる。
2) サブテーマ１「新たな技術を活用した火山観測の高度化」の推進
本サブテーマの代表機関、協力機関が参加する「新たな技術を活用した火山観測の高度化検討会」を開催し、具体的な実施内容を検討する。各種ツールの開発状況についての情報交換も行う。
(d)ミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動
1) ミュオグラフィの正しい理解展。大型商業施設、博物館等で展示を行う。そのために桜島を対象としたミュオグラフィ画像のＶＲ・ＡＲによるデジタル可視化、アウトリー
チ用ミュオグラフィ映像を制作してミュオグラフィの理解の普及啓発に用いる。
2) 大阪市立科学館でミュオグラフィ観測装置を展示する。
3) 公開講演会。一般向け公開講演会を実施する。
4) ポスター制作などを通してミュオグラフィの正しい理解の社会への普及活動を実施する。
5) WEB 等を活用した一般への情報発信や普及啓発に努める。

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