高頻度観測衛星データを用いたの被災農地の復興状況把握の検討
環境リモートセンシング研究室

八木公平

指導教員 力丸厚 坂田健太
1.背景2011 年 3 月 11 日、宮城県牡鹿半島の東南東沖 130km の4.対象地区とデータの前処理対象地区としては、宮城県石巻市、東松島市を選んだ。

海底を震源として発生した日本における観測史上最大の規理由としては、大きな道を境に被災地(津波被害がある)と模Ｍ9.0 東日本大震災による大津波が発生し、沿岸に壊滅非被災地(津波被害が無い)の境目が判りやすく、メディア的な被害をもたらし、冠水や流失、塩害等、農地に大きなの報道が多く、知名度が高かったということから決定した。

被害を与えた。農林水産省よると、3 月 29 日東日本大震災

対象地区の農地観測をするにあたって、高分解能衛星のに伴う津波で冠水や流失などの被害を受けた農地が、平洋画像を利用し、農地区画を作成した。

岸の 6 県で計2 万 4 千ヘクタールに上ると推計した。1)
また自身も現地に足を運び、被害の大きさを目にし、どうにかして、この広大な農地を観測できないかと考え、リモートセンシング技術を用いて、広大な農地観測を行えないかと考えたが、現状として、ある特定の場所を観測しようとすると、通常の衛星では、気象条件などにより良好な観測データを得ることが難しく、データが不足している。
このため短期的な観測データが必要となる。

2.目的
本研究の目的として、気象条件に左右されないようにす

図 2 農地区画るため、高頻度な観測する高頻度観測衛星を用いて、東日また取得した MODIS データの衛星画像は歪みがある為、本大震災による津波の影響を受けた被災農地における植生歪みを補正する必要があるため、取得した MODIS の衛星画を時系列に数値化し、農地復興状況把握地図を作成するこ像の投影変換をし、と共に取得した MODIS の衛星画像の１とにより、被災農地の被災復興状況把握の検討をする。

画素は 250m×250m と大きく、より細かい値を抽出するためには、１つの画素を細かく分割してやるということが一

3.研究の流れつの方法であるため、画像の調整した。このとき以下の３つの内挿法で画像の調整をした。

本研究の流れを以下のフロー図で示した。

a. Nearest Neighbor（最近隣内挿法）
b. Bi-liear（共一次内挿法）
c. Cubic Convolution(三次畳み込み内挿法)
それぞれの内挿法について、以下に示した。
a. Nearest Neighbor（最近隣内挿法）
Nearest_Neighbor（最近隣内挿法）とは、内挿点に最も近い観測点の画素値を求める画素値である。この方法は、位置誤差は最大 1/2 画素生じるが、元の画素値を壊さないことと処理速度が早いということが利点である。2)

図 1 研究フローPi j → u

P11

Pi+1 jP13

P12P14↓Q(u,v)=Pklv

k = [u+0.5]

P21

P23

P22ｓQ(u,v)
l = [v+0.5]
Pi j+1P24ｔQ(u,v)

Pi+1 j+1P31P33P32P34

図 3 Nearest Neighbor（最近隣内挿法）
b. Bi-liear（共一次内挿法）

P41

P43P42

P44Bi-liearr（共一次内挿法）とは線形補間法とも呼ばれ、内挿点の周囲 4 つの観測点の画素値の濃度を用いて、求める画素値を線形式で内挿する方法である。この方法は、オリジナルのデータが壊れる欠点があるが、平均化のためス

⎡ P11
⎢P
Q ( u , v ) = [ f (1 + t ) f ( t ) f (1 − t ) f ( 2 − t )] ⎢ 21
⎢ P31
⎢
⎣ P41

P12P22
P32
P42P13P23
P33
P43

P14 ⎤ ⎡ f (1 + s ) ⎤P24 ⎥⎥ ⎢⎢ f ( s ) ⎥⎥P34 ⎥ ⎢ f (1 − s ) ⎥⎥⎢⎥P44 ⎦ ⎣ f ( 2 − s ) ⎦ムージング（画素の輪郭を滑らかにすること）の効果があQ(u,v) :内奏する点の位置(u,v)とそのデータ画像(P)る。2)Pij :観測された画像データとその位置

Pi j

Pi+1 j[ ] :ガウス記号(整数部分をとる)
s=u-[u], t=v-[v]図5ｔ

Cubic Convolution(三次畳み込み内挿法)

本研究の投影変換には、MODIS reprojection tool というソフトを使用し変換をした。
Q(u,v)

5.MODIS データを用いた農地情報の抽出
・ NDVI の算出と抽出

ｓPi j+1Pi+1 j+1

NDVI とは植生指標のことであり、計算式はいくつかあるが、本研究では以下の式を使用した。

Q(u,v) = (1-s)(1-t)Pij-(1-s)tPi j+1+s(1-t)Pi+1 j+s t Pi+1 j+1

図 4 Nearest Neighbor（最近隣内挿法）

NDVI＝（IR－R）／（IR＋R）
IR：近赤外域

R：可視域域赤作成した農地区画と MODIS の画像データで、波長帯域が赤・近赤外に当たる MODIS データのバンド1，2であるラスターデータから値を抽出し、NDVI を算出し NDVI ラスター

c. Cubic Convolution(三次畳み込み内挿法)データを作成した。
次に NDVI ラスターデータと農地区画のデータを重ね合

Cubic Convolution（三次畳み込み内挿法）は 、Bi_liear（共一次内挿法）よりもさらに精度の高い補間であり、内わせ、農地区画ごとの NDVI データを抽出した。下図をイメージ図として示す。

挿したい点の周囲 16 点の観測点の画素値の濃度を用いて、求める画素値を三次畳み込み関数を用いて内挿する方法である。2)

図6 NDVI データ抽出イメージ図

6.NDVI 時系列変化となり、植生があることがグラフからわかり、また現地写抽出した NDVI を被災地と非被災地に別けて、グラフ化した。ここでは、津波の被害を受けた場所を「被災地」、そ真と照合すると、すでに刈取りされており、作付けがしてあった様子である。

うでない場所を「非被災地」をしている。また基準の NDVI
時系列変化として、関東の良好な農地の NDVI 時系列変化

刈取られているを参考として共に示した。

N DV I

・被災地の NDVI 時系列変化
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
01/22

関東平野標本
NDVI

矢本地区平均NDVI

図 10 非被災地「広渕」地区の現地写真(2011/10/14)

5/2

8/10

日付

11/18

2/26

6/6

7.抽出データの検証
検証方法として、MODIS よりも分解能の高い「LANDSATTM」「 Terra-ASTER」用いて、MODIS との相関、平均２乗誤図 7 被災地「矢本」地区の NDVI 時系列変化

差を内挿法別でそれぞれ算出し、以下の表に示した。

被災地である「矢本」地区は NDVI 値が疎らであり、不安定のように見えることがわかり、下図が現地調査での写表 1 ASTER、TM それぞれの相関と平均2 乗誤差真となる。農地は湛水状態となっており、使われていないことがわかる。
湛水している
この結果から、３つの内挿法では「Nearest Neighbor」が良いと判断した。
8.農地復興状況把握図作成
以上の結果から、表 2 のように評価基準を設けてやり、
図 5 を作成した。またこのときの MODIS データは 2011 年 8
月 10 日のデータを基準とし、それに沿って、帯域別で NDVI

図 8 被災地「矢本」地区の現地写真(2011/10/14)

時系列変化を作成した。

・非被災地の NDVI 時系列変化
まず、「広渕」地区に関しては観測点が多いため、NDVIN DV I

値の平均を取り、グラフ化している。
10.90.80.7
0.60.50.4
0.3
0.20.101/22

関東平野標本
NDVI

広渕地区平均NDVI

5/28/10

日付11/182/266/6

図 9 非被災地「広渕」地区の平均 NDVI 時系列変化「広渕」の NDVI 時系列変化は基準の NDVI とほぼ同じ形

表 2 NDVI 帯域評価基準

うまく農地を捉え切れていなかったか、あるいは、農地ではない別の場所を切り出してしまったことが１つの原因だと考える。また②の場合では、現地写真との比較により、付近に雑草が生えていたことから、その雑草の植生による誤差だと考えられる。

雑草が生えている

図 11 帯域別 NDVI 時系列変化
図 11 を参考に地図上の農地区画と照合し、農地復興状
況把握図を作成した。

図 14 ②付近の現地写真(2011/10/14)
9.まとめ
結果より、内挿法別では、Nearest Neighbor（最近隣内挿法）が３つの中では一番良いことが示唆されたが、他の観測衛星では、他の内挿法の相性がよい可能性も有り、Nearest Neighbor が一番良いとは一概に言えない。
農地復興状況把握図の結果から、正常な場所、異常な場所はしっかりと判別できており、また曖昧な場所も現地写
図 12 農地復興状況把握図

真との照合により判別が出来ており、被災農地の植生の把この図から評価の「作付け無し」から「良好」と色が変握が高頻度観測衛星データ(MODIS)によって植生状況の推化するにつれて、内陸部へと向かっていることがわかる。

定の可能性が示唆された。がしかし細部では、所々農地がまた「作付け自粛境界線」あたりの曖昧な場所も色の判別その場所とそぐわない所が見られる。この原因の１つとしが出来ており、それらしい把握図が作成できた。て、農地区画作成の際にうまく農地を捉え切れていなかったか、または、そうではない場所を切り出してしまった可能性がある。もう１つの原因としては、MODIS による観測データからの NDVI の抽出時に、画素の大きさと切り出した農地の大きさの相性が悪かったのではないかと考えた。
参考文献
1) 農林水産省 東日本大震災について～東北地方太平洋沖地震の被害と対応～
2)図解リモートセンシング 日本リモートセンシング研究会 日本測量協会「9.5 幾何補正のための再配列・内挿手法」P178、P179

図 13 農地復興状況把握図がしかし細かく見ると、①では評価が「良好」である中に、「やや良好」の区画が見られる。この原因の理由の１つとして、農地の切り出しの際に