火山 第 57 巻 ( 2012)
第 1 号 45-50 頁

寄 書

火山監視カメラの映像にもとづく噴出物の温度推定
宮 城 磯 治＊・前 嶋 美 紀＊＊（2010 年 12 月 17 日受付，2012 年 1 月 27 日受理）

Estimation of Eruptive Temperatures Based on the Color Data of Digital Cameras
Isoji MIYAGI＊ and Yoshinori MAEJIMA＊＊For better estimation of the temperature of red-hot volcanic ejecta from their images taken by online digital cameras
at night, we studied the applicability of a new pyrometer to the images. Our pyrometer applies the theory of black-bodyradiation to the color of red-hot object. We examined the color of red-hot volcanic ejecta, a heated basaltic rock withknown temperature, and infra-red LEDs. Because of the sensitivity to infra-red ray, a digital camera Nikon D40 canvisualize hot basalt specimen at temperatures much lower (ca. 370℃) than the naked eyes (500〜550℃). As a sideeffect of this capability, color data of the hot basalt discord from the isothermal color lines calculated from the blackbody radiation and the CIE colorimetric system. Night photographs taken by the online digital camera aimed at the
explosive ash eruptions of Asama volcano (2 a.m. 2 Sep., 2009) indicated that the color of red-hot volcanic ejecta wasdisturbed by the influence of infra-red ray in the same manner as observed on the heated basalt specimen in thelaboratory. As a result, the temperature of the volcanic ejecta would be much lower than their appearance in digital
images (e.g., 1000℃) but higher than the detection limit (370℃). Comparison of the color of red-hot volcanic ejecta andisothermal color lines revealed that some of the volcanic ejecta fell along the 600℃ isotherm line of the black-bodyradiation, which suggests that volcanic cloud reduces the influence of infra-red ray. The estimated temperature (600℃)
is consistent with those deduced from petrological observation and thermodynamic computation (600〜700℃). We
conclude that color analysis of the images of red-hot ejecta taken by online digital cameras are useful in temperatureevaluation when images suffer less influence of infra-red ray.
Key words : Asama volcano, volcanic bomb, CIE, black-body, webcam
1．は じ め に測所），2003 年の十勝沖地震の発生直後の樽前火山の噴噴出物や火孔の温度は，刻々と変化する火山の活動状

気孔周辺（寺田・他，2004））．

態を把握するうえで有用な情報である．近年の通信技術

高温物体の発する可視光の色調は古くから温度の推定の発達は，電子撮像機器（デジタルスチルカメラやデジに利用されている．温度と色の対応は，700℃では暗赤

タルビデオカメラ）による高頻度な観測を可能にした（前熱，900℃では桜赤熱，1000℃では鮮明な桜赤熱，1200℃

嶋・他，2005）．火山を監視する電子撮像機器は，夜間に，では鮮明な橙黄熱である（理科年表，物理／化学→熱と赤熱した噴出物等を映すことがある（例えば：2011 年

温度→高温度と色）．この関係を火山監視カメラの映像

1〜2 月の霧島火山新燃岳（鹿児島県姶良・伊佐地域振興に適用すると，例えば 2009 年 2 月 2 日の浅間山の噴出局），2009 年 2 月 2 日の浅間山（まえちゃんねっと），物は 1000℃以上の高温が示唆される．しかしながら，電2008 年 4 月頃以降の桜島（国土交通省），2007 年 7 月の子撮像装置で撮影される高温物体の色調は，肉眼や，従ハワイのプウ・オーオー（米国地質調査所ハワイ火山観

来の銀塩カメラのものとは異なることがある．本稿は夜＊〒305-8567 茨城県つくば市東 1 の 1 の 1
産業技術総合研究所 地質調査総合センター
Geological Survey of Japan， Tsukuba Central 7, 1-1-1
Higashi, Tsukuba, Ibaraki 305-8567, Japan
＊＊〒262-0048 千葉県千葉市花見川区柏井 4-50-7-306
株式会社 まえちゃんねっと

Maechan-net Ltd., 4-50-7-306, Kashiwai, Hanamigawaku, Chiba 262-0048, Japan
Corresponding author: Isoji Miyagi
e-mail: miyagi.iso14000@aist.go.jp

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宮城磯治・前嶋美紀

間の火山監視カメラ映像の正しい解釈と噴出物の温度推定手法の開発を目指して， (1)高温物体の発する光に関する基礎を整理し， (2)映像の色調にもとづく噴出物の温度推定手法を 2009 年 2 月 2 日の浅間山火山監視カメ
ラの画像に対して応用し，(3)この手法の可能性，問題点，解決法を検討する．
一般的な遠隔測温法として，市販の熱赤外カメラ，地球観測衛星（浦井，1999），そして赤外線遮断フィルターを外した電子撮像機器等 (Saito et al., 2005；Furukawa,
2010)が挙げられる．これらの遠隔測温法は，被写体から放出される赤外線の強度を利用する．観測される赤外線の強度は，噴煙等による吸収・散乱や（温度の過小評価），遠方の被写体が撮像素子の画素より小さい事（温度の過小評価），赤熱した噴出物が露光時間内に画素外に移動する事（温度の過小評価），等の影響を受ける．これらの問題の一部は複数波長の赤外線の解析により補正可

Fig. 1. The intensity of black-body radiation as a functionof wavelength.

能だが (Rothery, et al., 1988)，一般的な熱赤外カメラは単一波長帯なので補正できない．さらに，専用機器が設置

一定かつ方向性をもたないとされる（竹内，1989）．本研された火山は限られ，人工衛星の観測頻度も十分とは言

究では火山岩を同様に扱い，黒体放射光の色にもとづく

えない．そのため，熱赤外線強度以外の遠隔測温方法を

温度推定を試みる．
黒体放射の色の表現方法検討する事には，火山防災上の価値がある．

火山監視カメラのデジタル画像は光の三原色の強度を示す数値の配列であり，光のスペクトル情報を含まない．

2．原理と手法
高温の黒体が放射する電磁波の強度が最大となる波長

黒体放射光とデジタル画像とを比較するため，B (λ,T)

は，温度の関数である（プランクの黒体放射，およびを等色関数 (式 2)により赤 (X)・緑 (Y)・青 (Z)の刺激値

ヴィーンの変位則）．温度 T (° K)の黒体の放射光のスペに変換した．

クトル B (λ,T)（放射面の単位面積，単位立体角，単位波
長当たりの輝度；Wm−2 m−1sr−1）は，プランクの黒体
放射 (式 1)から求まる．
B(l, T)/1
2hc 2
l 5 e hc/lT,1X/@f (l)B(l,T)dllX@Y/ f Y(l)B(l,T)dl(1)

h はプランク定数，k はボルツマン定数，c は真空中に

l

(2)

@

Z/ f Z(l)B(l,T)dll

おける光の速度である． Fig. 1 は， (1) 黒体放射光の強等色関数 f X(l)，f Y(l)，f Z(l)は，可視光線λの光がそ度は温度とともに増加すること， (2) 可視成分のうち赤れぞれ人間（標準観測者）の赤，緑，青の色覚に与える（長波長）に対する青（短波長）の相対強度すなわち色は

刺激の強さを定義する．本研究では視野角 2°の等色関

温度とともに変化すること，そして， (3) マグマの温度数を可視光の波長範囲 (360〜830 nm)で積分し，X（赤）・(700〜1200℃)では赤外成分が可視光より数桁強いこと，

Y（緑）・Z（青）の強度を得た．等色関数についてはを示している．

Wyszecki and Stiles (1982)を参照されたい．更に式 (3)の黒体放射光の強度が温度とともに増加することを利用

変換により，1976 年に CIE（国際照明委員会；Commis-

すれば，赤外線等の強度から温度が推定できる．但し火sion internationale de l’éclairage）が勧告した L*a*b* 色空

山岩は黒体（放射率= 1）でないので，放射率の補正が必

間の情報が得られる (JIS Z 8729)．L*a*b* 色空間は，L*要となる．黒体放射光の色が温度とともに変化すること軸（明度）・a* 軸（緑⇔赤）・b* 軸（青⇔黄）が互いに直を利用しても，温度が推定できる．放射光の色を利用す

交するので，平面上に色情報を表示しやすい (Nakashima

る温度測定法では，放射率の絶対値は大きな問題となら

et al., 1992)．

ず，放射率が全波長にわたり均一であればよい．金属酸
化物やレンガ表面の放射率は 0.9 以上で全波長にわたりL */116g(Y/Y r),16

火山監視カメラの映像にもとづく噴出物の温度推定

47

時間やレンズの集光力の違い，被写体の放射率 (< 1)の違い，そして，被写体が画素より小さいことや，露出時間内に被写体が画素外に移動すること，等によって変化する．Fig. 2 の細線は，これら太線上の温度の等しい点を結んだ「黒体放射光の色の等温線」である．これらの等温線を用いれば，火山監視カメラが肉眼と同じ感受性で撮像する限りにおいて，赤熱岩塊の色から温度が読め
る．画素の受光量が変化しても温度が読めるという点において，赤熱岩塊の色を用いる温度測定手法は，一般的に遠隔測温に用いられる熱赤外カメラよりも有利である．
電子撮像装置の色と特性本手法を電子撮像装置のデータに適用する際には，次のような点に注意する必要がある．火山監視カメラの映像では，不可逆的なデータ容量圧縮方式（JPEG 等）が一般的に用いられる．JPEG 圧縮の場合，RGB 信号を色度差信号に変換する（輝度と色調に分ける）際に色調の空Fig. 2. The color of a black-body plotted on the a*-b*
plane of the CIE L*a*b* color space. The color changes
with the temperature of a black-body and the exposure(W＝X+Y+Z) to radiation, where the parameter W issum of stimulation indexes for red (X), green (Y), andblue (Z) colors normalized to that of 6500°K blackbody radiation.

間解像度を元画像の半分にする事と，8×8 個の画素グ
ループ内の変化を示す数値を丸める際の誤差により，非可逆性が生じる．画像圧縮の影響を低減するには，圧縮率を低く（丸め誤差を小さく）とり，画像の変化が急激でない部位の色を測定すればよかろう．
火山監視カメラが自動的にホワイトバランスを調整する場合には，白色の基準点が 6500° K の黒体放射から大

X

Y

r

r

 r X ,g r Y 

a */500 g(3)は，白色光で規格化した X，Y，Z の値であるが，人間のYZ

目が白色光以外の光源に順応するという特性にあわせrrて，カメラ側も白色基準点を変更することがあるからで

 r Y ,g r Z b */200 g

きく離れる可能性がある．上に述べたように，Xr，Yr，Zr

Xr，Yr，Zrは，白色光における X，Y，Z の値である．

ある．白色基準点の問題は，監視カメラの運営者に対し

例えば X/Xrは，白色光（6500° K の黒体放射光）の中のてカメラのホワイトバランスの固定を依頼することによ

赤色成分の強度によって規格化された，肉眼が感じる赤り回避できると思われる．また，背景に標準光源（星な色の強さという意味である．g (X/Xr), g (Y/Yr), g (Z/Zr)

ど）を写し込むことによっても，評価あるいは補正でき

は，それぞれ式 (4)の t に X/Xr，Y/Yr，Z/Zr を代入して得ると思われる．

られる値である．

g(t)/3 t
1 29 2
4
g(t)/
t+
3 6
29

r 

3．色調の観察結果

t>(6/29) 3(4)
tC(6/29) 3

肉眼による高温岩石と赤外線 LED の色
暗闇の実験室内で 900℃以上に加熱された玄武岩（直径約 2 cm，円柱状）を，およそ 3 分間で約 300℃まで自なお，デジタル画像の画素の色は「Digital Color Meter.

然冷却した．その間，試料表面を熱赤外カメラ（日本アapp」 (Mac OSX) の よ う な ソ フ ト ウ エ ア を 用 い れ ば，

ビオニクス製，TVS620）で測温し，複数の電子撮像機器

L*a*b* 色空間 (CIE, 1976)のデータに変換できる．

でも繰り返し撮影した．比較のため，二種類の赤外光源

黒体放射の色a*-b* 平面において，黒体放射光の色は（Fig. 2 の太線）
，白色点として採用した 6500° K では原点 (白)であ（赤外線 LED；ピーク波長 870 nm と 940 nm）も撮影した．
撮影条件を Table 1 に記す．詳細は宮城・前嶋 (2009)を参照されたい．

り，温度の低下とともに原点から離れる．Fig. 2 の複数

肉眼で観察した暗闇の高温岩石の色調は，700〜800℃の太線は， カメラの受光量 (W = X+Y+Z) が異なる場合

が黄色味をおびた赤色，600〜700℃が暗い赤色，そしての，黒体の色の温度変化を示す． 画素の受光量は，露光

500〜550℃以下が黒（発光無し）である．比較のため肉48

宮城磯治・前嶋美紀
Table. 1.

Lower limits of the temperature of heated basalt photographable or perceptible in darkness.

眼で赤外線 LED を暗闇で観察すると，ピーク波長が 870

による 2009 年 2 月 2 日午前 2 時頃の映像を解析した．

nm のものはごく僅かな赤色，950 nm のものは黒（発光

カメラのホワイトバランスを確認するため，2 時 2 分の無し）である．肉眼の光学的特性および観測者の感受性

画像の背景に映っている星の色を測定した結果，Fig. 2には個人差があると思われるが，少なくとも 5 人の観測の W = 1 の時の黒体放射と調和的であることが判った

者（赤司卓也・伊藤隆夫・坂井健・前嶋美紀・宮城磯治）(Fig. 3, 2:00_stars)．大半の星が原点付近に分布する事の間では，高温岩石と赤外線 LED の見え方（見えたか否と，原点からやや離れた比較的低温な星の色 (a* = 5, b*

か，明暗，色あい）に関する意見は一致した．岩石の赤= 25)でも約 4000℃を示す事から，この画像は太陽光を熱が認められなくなる温度を Table 1 に示す．

基準にしたと判断できた．

電子撮像装置による高温岩石と赤外線 LED の色
電子撮像機器で撮影された暗闇の高温岩石の色調は，

2 時 8 分の画像で雪に覆われた白い山腹を照らした赤い光は，b* 値が 20〜30 で，300℃の黒体放射の等温線と肉眼とは明らかに異なり，かつ，撮影機材ごと異なった

ほぼ平行に，より低温側に分布した (Fig. 3, 2:08_red_（宮城・前嶋，2009）．Nikon 製 D40 で撮影された高温岩snow)．2 時 8 分に撮影された火口直上の赤熱部の色調

石 は，500〜800℃ の 広 い 温 度 範 囲 で 赤 〜 ピ ン ク 色，は，a*-b* 平面の原点付近の，黒体放射の等温線に沿っ500〜400℃では赤色を呈し，約 370℃以下では映らない．

て分布した (Fig. 3, 2:08_pink_vent)．2 時 2 分の画像の赤

Nikon 製 D40 で撮影された約 400℃と 550℃の岩石の色

熱噴出物の色調は，b* 値が 40〜60 で黒体放射の約 600℃

調は，黒体放射の等温線上には乗らず，a* 値が 0〜50 のの等温線に沿って分布した (Fig. 3, 2:00_red)．但し b* 値

間に，b* 値が 0 付近に分布した (Fig. 3, D40_548℃, D40_

が 40 以下で 600℃の等温線から a* 値の増加する向きに380℃)．Nikon 製 D90 で撮影された高温岩石の b* 値は，0〜25 程 度外れるものもある．このように，Nikon 製

D40 よ り も 明 ら か に 高 い 80 付 近 に 分 布 し た (Fig. 3,

D40 を用いた火山監視カメラの噴火映像に映った噴出物

D90_843℃)．比較のため D40 を用いて暗闇で撮影されの色は，実験室内で行なわれた高温岩石撮影の結果とはた赤外線 LED の色は，ピーク波長が 870 nm のものはハ違なり，黒体放射の等温線に沿わない場合と，沿う場合レーションが出るほどの強さの赤みがかった白色で，の両方が存在することが判った．

950 nm のものは暗い赤〜ピンク色を呈した（宮城・前嶋，
2009）．赤外線 LED の色調は，高温岩石の色調に類似し4．考た (Fig. 3, D40_LED)．このように，Nikon 製 D40 を用い赤外線の影響て室内で撮影された高温岩石の色は，基本的に黒体放射の等温線に沿わないことが判った．

察

もしも火山監視カメラが可視光のみを感じるならば，
高温岩石の色は黒体輻射の等温線 (Fig. 2)に沿って分布

電子撮像装置による赤熱火山噴出物の色

し，温度が読めるはずである．撮像素子の電気信号を画

まえちゃんねっとの浅間山監視用ネットワークカメラ

像ファイルの数値に変換するプロセスの違いにかかわら（Nikon 製 D40 を使用；http://bousai.maechan.net/ で公開）

ず，電子撮像装置は人間の等色関数に合うように設計さ火山監視カメラの映像にもとづく噴出物の温度推定

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線を透過させることを示す．暗闇で赤熱岩石が映る温度の下限が機種毎に異なることは，赤外線に対する感度が機種毎に異なることを示す（Table 1 参照）．このように赤外線の影響は赤熱岩石の色を用いる温度推定法にとって致命的となり得るが，Nikon 製 D40 を用いる火山監視カメラが撮影した噴出物の色の一部が黒体放射の等温線（約 600℃）に沿うという事実は，火山監視カメラの撮影
状況によっては赤外線の影響が小さくなることを示唆している．
浅間山の噴火映像の解釈
2009 年 2 月 2 日午前 2 時 8 分の火口直上の赤熱部の，原点付近の黒体放射の等温線に沿って分布する色調は(Fig. 3, 2:08_pink_vent)，輝度が高いために光の飽和によって原点付近に分布したと解釈される．2 時 8 分の画
像で雪に覆われた白い山腹を照らした赤い光は，300℃の黒体放射の等温線とほぼ平行に，より低温側に分布す
Fig. 3. The color of a heated basaltic rock, infrared LEDs,
hot volcanic ejecta, and stars plotted on the a*-b* plane.
Isotherm lines are the same as Fig. 2. Small black circle(2:00_stars): color of stars in the night sky in the phototaken at 2: 00: 36 2 Feb 2009 by a webcam (Digital
Single Lens Reflex Camera; DSLR) “Kitakaruizawa
network” technically supported by Maechan-net Ltd.,(http://bousai.maechan.net/) at Asama volcano. Gray
disc (2:00_red): color of red ejecta in the same photo.
Black circle (2:08_pink_vent): color of glowing area
over the vent in the photo taken at 2:08:36 2 Feb 2009by a “webcam 2” DSLR of Maechan-net Ltd. Largesolid circle (2: 08_red_snow): color of red reflected
light on snow surface near the vent in the same photo.
Cross (D40_380℃): color of basalt surface heated at
380℃ in darkness. Small solid circle (D40_548℃):
color of basalt surface heated at 548℃ in darkness.
Small triangle (D40_LED): color of infra-red LED(Toshiba TNL227, peak wave length＝870 nm). Cross(D90_843℃): color of basalt surface heated at 843℃
in darkness.

るが (Fig. 3, 2:08_red_snow)，Nikon 製 D40 に 370℃以下の岩石が映らない（宮城・前嶋，2009）ことから，噴出物の温度が 370℃を越えていた事はほぼ確実である．
300℃の黒体放射の等温線に沿った分布は，より高温物
体の黒体放射光の色に，赤外線の影響による a* 値が増加した為と解釈するのが自然だろう．
2 時 2 分の画像の赤熱噴出物の色調は，b* 値が 40〜60で黒体放射の約 600℃の等温線に沿って分布した（Fig.
3, 2:00_red；但し b* 値が 40 以下で 600℃の等温線から
a* 値の増加する向きに 0〜25 程度外れるものもある）．
Nikon 製 D40 で撮影した赤熱岩石の色が黒体放射の等温線に乗らないことが室内実験から明らかであるにもかかわらず，噴出物の色調が 600℃の黒体放射の等温線に沿う理由は，以下のように考えられる．噴火の撮影では，被写体とカメラの間に厚い大気と濃厚な噴煙がある．赤外線と可視光とでは散乱や透過の特性が異なるから，噴煙等の状況次第で，高温噴出物から放射された赤外光と可視光は，どちらかが相対的に増加あるいは減衰して観察される可能性がある．Nikon 製 D40 は赤外線を赤色とれるはずだからである（でなければ色映りを酷評され売して感受するので，赤外線が卓越する場合には噴出物のれない）．ところが実験室で Nikon 製 D40 を用いて撮影

色は Fig. 2 の等温線の右側にずれ，これが Fig. 3, 2:00_

された高温岩石の色の分布も，黒体輻射の等温線に沿わ

red のうち，b* 値が 40 以下で 600℃の等温線から a* 値ない (Fig. 3)．赤外光源 (LED)の色が高温岩石と同様にの増加する向きに 0〜25 程度外れるものに対応すると考a* 値が増加する向きに分布することから，高温岩石の色えられる．逆に可視光が卓越する場合には噴出物の色はが等温線に沿わない原因は，電子撮像機器が赤外光を感等温線に沿い，これが 600℃の等温線に沿うものに対応知する為だと考えられる．電子撮影機器には赤外線遮断したの だ と考 えられる（赤 外線 の影 響が加わ るのでフィルターが挿入されているが，漏れはあるだろう．画

600℃は最低見積り）．今回は噴煙による偶発的な赤外線像の輝度とともに色調が赤，ピンク，白へ変化することの減衰に助けられたが，将来的には，高性能の赤外線フィは，感光素子とレンズの間に挿入されている複数の分光

ルターの採用や，赤外線の感受性が異なる複数のカメラ

フィルターのうちより長波長の赤用が，より多くの赤外を用いた同時観測によって，より確実に赤外線を低減あ50

宮城磯治・前嶋美紀

るいは補正できる可能性がある．

康平氏はそれぞれ温度測定用の熱赤外カメラと三脚を貸

火山監視カメラの色調が示した温度 (> 600℃)は，噴与した．編集委員の渡辺了氏および二名の匿名査読者に出物の結晶度が高いという観察事実と調和的である．

よる数多くの建設的な意見は，初稿の不備を大幅に改善

2009 年 2 月 2 日の噴火による火山灰試料（火口の南南東した．以上の方々に感謝いたします．

約 7.5km の浅間台で採取；試料番号 090203）の約 8 割を，新鮮な破断面をもち，発泡度が低く，変質が認められず，石基の結晶度が高い粒子群（グループ G）が占める．監
視カメラが捉えた赤熱岩塊は，噴出物の大半を占めるグループ G と同じ物だと考えられる．このマグマの全岩
化学組成が浅間山の 2004 年 9 月噴出物（三宅・他，2005）と同じと仮定して MELTS (Ghiorso and Sack, 1995)で解析をすると，地表付近におけるメルト分率は 600〜700℃の場合に 5wt.% 以下である事が示された (Miyagi, 2010)．
5．ま

と

め

高温岩石の撮影実験と黒体放射の理論的検討にもとづき，夜間の火山監視カメラの画像を解釈する際の注意点を把握した（赤外線，ホワイトバランス，画像劣化）．そのうえで，火山監視カメラで撮影された赤熱岩塊の色調にもとづく，噴出物の温度見積りを試みた．浅間山 2009年 2 月 2 日未明にまえちゃんねっとの火山監視カメラ(Nikon 製 D40)が撮影した映像は，赤熱岩塊の温度が1000℃以上である印象を与えるが，D40 を用いた高温岩石の撮影実験結果は，この温度見積りが赤外線の影響による過大評価である事と，当該噴火の赤熱岩塊の温度が少なくとも 370℃以上である事を示した．更に，監視カ
メラの赤熱岩塊の色と黒体放射の色を比較した結果，噴火映像には赤外線の影響が少ない部分が存在する事がわかった．その色調から赤熱岩塊の温度は約 600℃と見積られ，岩石学的な見積り (600〜700℃)と調和した．赤熱岩塊の色を用いる温度測定方法の信頼性を改善するには，
赤熱岩塊の赤外線が部分的に減衰した理由の究明と，赤外線の影響を低減させる観測上の工夫（高性能の赤外線フィルターの採用や，複数のデジタルカメラを用いた
同時観測）が有効と思われる．
謝辞

日本火山の会の赤司卓也氏，伊藤隆夫氏，坂井健氏は，それぞれキャノン製 Power Shot SX10 IS，ソニー製 HDRXR520，ニコン製 D90 による赤熱岩石の画像を提供した．日本火山の会の大澤晶氏は電子撮像素子の近赤外領域の感度特性に関する知見を与えた．気象研究所の鬼澤真也氏は 2009 年 2 月の火山灰試料を提供した．産業技術総合研究所の伊藤順一氏は可視光用のデジタルカメラ
で温度を見積る可能性に関するヒントを与えた．グェン・ホァン氏は英文原稿を添削した．松島喜雄氏と風早

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（編集担当

渡辺

了）