特集

衛星搭載ライダー

宇宙から植生を観測するライダーミッション

MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）
浅井 和弘 1，境澤 大亮 2，水谷 耕平 3，西澤 智明 41

東北工業大学（〒982‒8577 仙台市太白区八木山香澄町 35‒1）

2

宇宙航空研究開発機構（〒305‒8505 茨城県つくば市千現 2‒1‒1）

3

情報通信研究機構（〒184‒8795 東京都小金井市貫井北町 4‒2‒1）
4

国立環境研究所（〒305‒8506 茨城県つくば市小野川 16‒2）

Lidar Mission of Vegetation Observation from SpaceMultiple-footprint Observation Lidar and Imager（MOLI）
Kazuhiro ASAI 1, Daisuke SAKAIZAWA 2, Kohei MIZUTANI 3, and Tomoaki NISHIZAWA 4
1

Tohoku Institute of Technology, Sendai, 982‒8577

2

The Japan Aerospace Exploration Agency, Sengen 2‒1‒1, Tsukuba, 305‒8505

3

National Institute of Information and Communications Technology, Koganei 184‒8795
4

National Institute of Environmental Studies, Tsukuba 305‒8506（Received August 27, 2020）
The purpose of the MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）mission is to demonstrate
Japanʼs first space lidar and to obtain canopy height / three-dimensional forest structure information
required for the evaluation of Above Ground Biomass（AGB）, which plays an important role in the
carbon cycle and climate change mechanisms. The lidar also makes a possibility for observing clouds andaerosols. The results obtained by MOLI will bring a guideline for the future global vegetation observation
satellite. In addition, MOLI mission will provide a foothold for application development to Doppler lidar
aiming at global three-dimensional observation of wind vectors, the scanning lidar realizing precision
DEM, and H 2O DIAL for water vapor profiling.
キーワード：ライダー，樹高，森林バイオマス，数値表層モデル，イメージャー
Key Words: Lidar, Canopy heigh, Forest biomass, Imager, DSM

1．はじめに
本文は，現在 JAXA で検討中の日本初の地球観測用宇宙ライダーの技術実証と，科学的には炭素循環
や気候変動メカニズムにとって重要な役割を演じる

Observation Lidar and Imager， 以 下 MOLI と 称 す）ミッション」について研究開発の現状 1‒5）も含め紹介する．

2．MOLI ミッションの背景

地球規模での森林バイオマス（主に地上部バイオマ

森林は私たちの生存に強く影響を及ぼしている．

ス Above Ground Biomass: AGB，以下本文では AGB

例えば，森林は人間の生活や動物の生息地を供給と略す）の評価に必要な林冠高/樹冠高，三次元森

し，土壌侵食を防ぎ，流域保護に寄与している．ま林構造情報の高精度取得，雲エアロゾル・大気パラ

た，大雨や洪水などの自然災害の緩衝として生態系メータ観測を目的とした「衛星搭載・植生観測ライ

サービスに多大に関与している．一方，近年の地球

ダ ー お よ び イ メ ー ジ ャ ー（MOLI: Multi-footprint

温暖化に伴う気候変動，異常気象と大いに関連付け©2020 Laser Radar Society of Japan45

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

られるのが，海洋に次ぐ炭素貯蔵庫としての森林でを占めてしまう 6）．

ある．現在，世界の森林面積は約 41 億 ha で陸地面

地球規模で森林に蓄えられている総炭素蓄積量

積の 3 割を占めている．化石燃料消費/セメント工

662 GtC は，東南アジア（ボルネオ島など），中部

業生産から大気に排出される二酸化炭素（以下，アフリカ（コンゴなど），中米・南米（アマゾン流

CO 2）は年間約 8.3 Gt であり，その中の約半分が大域など）にある熱帯林がその内の約 50%，日本な

気中に留まり，残りが海洋と陸地（土壌，森林，食どが属している温帯の森林が同 20% とそれぞれ貯料畑，草地，湖沼など）に取り込まれる ．ご承知

蔵している．したがって，これ以上，森林破壊・劣のように，森林を含む植生は光合成を通して吸収し化による土地被覆変化を引き起こして CO 2 吸収容

た CO 2 を有機物であるバイオマスに変換して固定量を減らし更なる排出源とならないよう，地球上のする．世界全体の森林バイオマス蓄積量は，地上部

あらゆる生物の持続的生存を脅かさないために，大（AGB）＋地下部（根）の生体バイオマスで約 606

切な森林の評価・管理・保護の行動が求められる．

Gt（炭素重量換算で約 303 GtC）
，枯死木や落葉落

衛星リモートセンシング技術の発達により，森林

枝の堆積物で 59 Gt（同，約 29.5 GtC）と見積もらの評価・保護のための地球環境観測とくに熱帯林域れている．さらに森林の重要なことは，森林内にはでの森林バイオマス観測には合成開口レーダ

生体バイオマスの炭素蓄積量と同程度の炭素が土壌（SAR）は欠かすことのできないアクティブセン

有機物として存在しており，森林の総炭素蓄積量はサーである 9, 10）．中でも，JAXA が打ち上げ，運用

662 GtC（2020 年）となるを行っている陸域観測技術衛星シリーズ，ALOS

6）

．

7, 8）

20 世紀に入って爆発的に人口が増加し，急増し（2006 年）
，ALOS-2（2014 年）にはフェーズドアレ

た人口を養うために食料の増産，薪燃料，家屋敷地

イレーダー（Phased Array type L-band Synthetic Aper-などが必要となり，森林の開墾，伐採など土地利用

ture Radar: PALSAR，PALSAR-2）が搭載されており変化が引き起こされ，これらによる森林破壊・劣化

国内外での自然災害状況の解析やグローバル森林観が森林減少の最大の原因と言われている．また近年測に活躍している 10）．PALSAR，PALSAR-2 は全天

では大規模森林火災が頻繁に北米大陸，アマゾン流

候観測が可能でありリアルタイムでの変化の抽出に

域，豪州で発生し大規模な森林破壊を引き起こし，も優れ，とくに近年，斜め観測によるデータの歪み

環境の面からも生物多様性の観点からも大きな問題の補正方法が改善されて以来，山岳地での森林解析を提起している．2019 年 9 月から 2020 年 3 月に懸精度も上がり大いに期待されている 11）．Fig. 2 は，けて発生した豪州での大規模な森林火災は，死んだ

送信偏波：水平（H），受信偏波：垂直（V）のクロ

り住む場所を失ったりした動物の数が約 30 億匹でス偏波による受信後方散乱信号（dB）強度と AGBあったことは悲惨な記憶として残っている．これら（Mg/ha）との相関を示している．受信信号とバイの森林破壊・劣化により 1990 年から 2020 年の 30
年間だけでも，推定 4 億 2000 万 ha（世界の全森林
面積の約 1 割），炭素蓄積量で約 6 GtC 減少した．
CO 2 収支の観点からは，この農業，林業，その他（違法伐採を含む）の土地利用や大規模森林火災などに伴う土地被覆の変化は，本来なら森林によって吸収蓄積されるべき CO 2 が森林の消失により吸収（sink）が行われなくなるので排出（source）として見なされる．そして，この排出として見なされる換
算 CO 2 量は，実に人間起源による CO 2 排出の 13%

Fig. 2
Fig. 146

Proportion and distribution of global forest area by
cli-matic domain, 2020 8）.

Relationship between backscatter power（in dB）at HV（horizontal transmit, vertical receive）polarization versus
aboveground dry biomass（tons/ha）13）.

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

オマスとの関係はバイオマス 150 Mg/ha までは良い相関にあるが，150 Mg/ha を超える様な高密度な熱帯林では飽和現象が顕著に表れ正確な AGB 観測が難しい 12‒14）．また国内の閉鎖した成熟林や，湿地林やマングローブ林では水面による 2 回反射のためにバイオマス推定値が過大に評価されるなどの問題点がある．
一方，NASA は 2003 年に世界初の宇宙ライダー
Geoscience Laser Altimeter System: GLAS を 打 ち 上げ，2004 年-2009 年の運用を通して，森林上部からの散乱信号と地表面からの散乱信号との時間差から
林冠高/樹冠高が直接計測できる事を明らかにし，且つ熱帯林での森林観測（高さとバイオマス）の可能性を示した 5‒19）．これらを踏まえ，雲天には弱いが森林高を精度よく測定できる（最終的には高密度
バイオマス推定も可能）光波領域の植生ライダー

Fig. 3

Waveform of return signal from earth surface throughatmosphere.

と，全天候型ではあるが高密度バイオマス観測では信号が飽和してしまう電波領域の L-band SAR が有ii）森林内では Cvc≠0，この項は林冠到達後の森林する各々の長所を有効に利用してそれぞれのセン内への透過光を表し林冠―地表間での森林内大気情

サーの短所を補完することにより，高密度な熱帯林報に対応している．一方，第 2 項は送信ビーム径

域での AGB 観測精度を高めることが可能となる．

xΔH の円筒内にある葉，幹，枝，梢，草本などに

以上の背景に基づき研究開発が進められているの関する植生情報を与え，送信パルス光は最終的に地が，筆者らも参加している MOLI ミッションであ表面に到達し後，地表面アルベドで反射され衛星上る．

のライダー受光系に戻る．Fig. 3 に，例として航空機ライダー（詳細は次節 4．
）で取得したリターン

3．MOLI 開発の現状
3.1 林冠高/樹冠高計測の原理と AGB 推定法

信号（青線）を示す．
横軸は受信光強度，縦軸はデジタイザーの Bin#

衛星搭載・植生ライダーの受信強度方程式は，森に各々対応している．リターン信号は，森林上部

林内大気も考慮すると以下の（1）式で記述でき（林冠）に到達した送信光による反射光から始まりる 20）．

（Signal start），送信パルス光は時々刻々森林内部の高木層，亜高木層，低木層を進み，草本層を経て最2

Prλ (H) =Ptλ · Ktλ · Krλ · Ar · T atmλH2c·τ×· βatmλ (H) · {(1 − Cvc (H) }2

後に地表面（Ground surface）に到達する．リター（1）

ρvcλ (H)+· ∆Cvc (H) · {(1 − Cvc (H) }π

ン信号は林冠高，各層での葉，幹，枝，梢の密度，
地表面などの情報を持っている．このデジタル化された信号は＂waveform＂と呼ばれ，林冠高/樹冠高は Signal start-Ground surface 間 の bin# x ΔH か ら 算

ここで，P tλ：送信レーザーエネルギー，K t λ，K r λ：出される．すなわち森林上部からのリターン信号

波長 λ での送信系，受信系の総合的な光学効率，

Signal start は必ず出現するので，地表面からのリ

Ar：受信望遠鏡の有効面積，T atm λ：衛星から距離

ターン信号 Ground surface が得られるならば，正確

H までの大気透過，c：光速，τ：レーザパルス幅，c・τ/2＝ΔH：高さ分解能，β atmλ：大気後方散乱係に か つ 確 実 に 林 冠 高/樹 冠 高 が 計 測 可 能 で あ る．
AGB の推定・算出は，上述の方法で得られた林冠

数，C vc：フットプリント面積に対する森林被覆率，高/樹冠高をパラメータとしたアロメトリー法によρ vcλ： 送 信 ビ ー ム 径 xΔH の 円 筒 内 に あ る 葉， 幹，

り求める方法とノイズレベルから或る閾値以上の信枝，梢，下草の合計反射率，または地表面アルベ

号を Signal stop 側から Siganl start まで積分し，そのド，ΔC vc＝C vc（H＋ΔH）－C vc（H）である．

面積との割合に達する相対高（Relative Height: RH）

大かっこ内第 1 項は衛星―森林―地表面間の大気情報を表し，i）衛星から林冠までの光路では Cvc（H）＝0 であり，通常の大気ライダー受信光強度，など waveform が持つ統計量を使った多重回帰解析法がある．
Waveform はフットプリント内の地盤が傾斜して47

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

いると，平地での waveform に対し波形が伸長してしまう．その結果，林冠/樹冠の推定高や，アロメ
トリー法による AGB 値，多重回帰法による AGB
値ともに誤差を含むようになる．この様に，AGB
値の推定精度は観測域の地形，気候区分，植生分
布，森林構造，うっぺい度などに大きく影響を受けるので正確な校正/検証が重要となる．MOLI ライ
ダーはフットプリント内の地盤情報取得のために，2 本の送信ビームを同時に地表に向け照射して地上に一対のフットプリントを出現させ，レーザーの高繰り返しを利用して多数のフットプリント対からのFig. 4

MOPA layout on the optical bench.

受信信号を解析して地盤傾斜を推定する新方式を取り入れた 21）．

と比較すると，レーザー単体で防護策を講じ，他の工程は確立された方式を用いるほうが合理的であ

3.2 Nd:YAG レーザー

る．MOLI のレーザー送信器は光学ベンチに組んだ

MOLI のレーザー送信器は，波長 1064 nm で 40

レーザー光学系を与圧筐体に封入し，レーザー自身

mJ の Qsw レーザーパルスを 7 ns 以下のパルス幅でで発生するコンタミネーションを抑制，他の機器か生成する．運用する環境は ISS が周回する宇宙空間

ら飛来するコンタミネーションの影響を最小化するであり，一般的な計測や加工に利用されるレーザー形態とした．

の運用環境と異なり，MOLI で使用するレーザーは

構成は主発振器と光増幅器からなる MOPA であ

製作終了後，ISS へ取付けられ運用が終了するまでる．試験モデルを Fig. 4 に示す．軌道上の運用開始の間，一切の調整は行うことができない．このた

後アライメント調整を行うことは難しく，ある程度め，輸送や取付，宇宙飛行士による取扱いで想定さの温度範囲に晒されることになる発振器は，可能なれる振動や衝撃に耐える必要がある．また真空環境

限り低出力化し，発熱に伴う共振器のアライメント

かつ放射線に晒されるため，使用する電子部品，光

変動や出力低下に対して，堅牢となるよう，励起光

学部品の放射線耐性やその防護措置が必要となる．

はファイバーカップリングレーザー（Fiber Coupled

ミッション機器を含めて，使用されている接着剤

Laser Diode: FCLD）に よ る 端 面 励 起 Qsw パ ル ス

や部材から排出される分子状の物質（溶剤など多岐

レーザーとした．FCLD は発振器より離れた場所ににわたり，コンタミネーションと呼ぶ）がレーザー配置することで，励起光源の発熱による Qsw 発振と相互作用することによって光学部品のレーザー照器のアライメント変動も抑制する．

射面に蓄積し，焼損させるレーザーの機能喪失を引発振器出力は光アイソレータを介して前段，後段

き起こす．このコンタミネーションにより引き起この 2 段増幅器により 40 mJ に増幅する．発振器およされるレーザーの機能喪失をどのように防ぐのか，び 光 増 幅 器 に 使 用 す る レ ー ザ ー 媒 質 と し て，その条件を明らかにすることは，軌道上での長期間

Nd:YAG セラミックスを採用している．MOPA 全体のレーザー動作を実現する上で必須であり，MOLI

は，レーザー構成部材に使用される接着剤や洗剤，

以降の地球環境計測用レーザー装置開発にも有用と部材そのものから発生するアウトガスやレーザー機

なる．コンタミネーションの発生源は製作工程で用器以外から飛来するアウトガスを除外するため，与いられる固化済接着剤が主である．コンタミネー

圧筐体に封入して使用する．筐体に封入する気体はション防護の方法として，レーザーの製作工程に接乾燥空気を 1 気圧とし，内部で使用する接着剤の重着剤不使用を徹底することが挙げられる．ただし量は別途試験を実施した条件を適用し，筐体を密閉レーザー製作工程で使用を禁止しても，それ以外のした．筐体内部には MOPA を配置した光学ベンチ

電源，望遠鏡，光検出器，信号処理部の製作工程にに加え，ポッケルスセル駆動用の高電圧電源，LD

も接着剤が利用されるため，レーザー以外からのコ波形モニタ，気圧センサー，温度センサー，冷却用

ンタミネーションの飛来は阻止できない．そのためコールドプレートが内蔵されている．

各製作工程において溶剤の使用禁止も手段として考えられるが，それまで蓄積された製作工程の見直し

3.3 ライダーとイメージャー

により，新規手順の作成・検証の作業が生まれ，

MOLI ミッションは，高度 330 km︲435 km，軌道レーザー制作以外にも開発リスクが発生する．これ

傾斜角 51.6° で現在飛行中の国際宇宙ステーション

48

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

（International Space Station: ISS）
︲日 本 実 験 棟（Japa-

重要な指標であるから，本ミッションで取得される

nese Experimental Module: JEM）
︲暴 露 部（Exposed

waveform は全球規模での生物多様性の理解や保全

Facility: EF）に搭載を予定している．したがって計画策定等に対し有用な情報提供源として期待され

MOLI の観測緯度範囲はこの傾斜角に挟まれた熱帯

る．

林，温帯林，および北方林の一部となる（Fig. 1 を③大気観測モード：5 節にて詳しく述べる

参照）．ライダーシステムは基本的には，次の三つ

先に述べたように，森林は光合成を通してバイオの観測モードを有している．Fig. 5 に，ISS-JEM-EF

マスを生成し生態系や生物圈の炭素循環メカニズに搭載された MOLI の概念図を示す．なお，ライム，CO 2 収支に寄与している．しかし森林を含む

ダーから射出された 2 本の送信ビーム（赤色）は，

陸域植生は，「人為的土地利用の変化」の影響によ後述する地盤面傾斜角度および方位角の自己決定用

りその CO 2 収支推定値が 1.4±0.8 PgC/年間と大きである．

な誤差を有している．本提案ミッションは未だ解決①レーザー高度計モード：

されていないバイオマス推定時の誤差の低減化を図

森林，人工物など標高より高い地表面の高さを測り，森林が関わる CO 2 収支の高精度な推定を目的る「数値表層モデル（Digital Surface Model: DSM）」とする．そのために，ライダー/イメージャーの設用データ，海面，植生や人口建造物のない土地や森

計/開発には ISS 飛行高度からレーザーを地表に照林内の林床に到達したレーザー送信光からの反射光射してフットプリント内の林冠/樹冠の高さを観測を使って標高を測る「数値標高モデル（Digital Ele-

し，最終的には地球規模で森林バイオマスを精度良vation Model: DEM）
」 用 デ ー タ， 得 ら れ た DSM

く算出できる様に以下の項目がミッション要求としデータから DEM データを差し引いて「林冠/樹冠て求められている高（Digital Canopy Height Model: DCHM）」データも・宇宙環境下で 24 時間，1 年間の稼働

同時に正確に取得する．

・地上の人間に対するアイセーフ基準の順守② waveform モード：・フットプリント内の測定精度

森林内の葉，枝は分布型散乱体として光学的には機能するために森林の内部構造が推察可能となり，また樹高，バイオマス，森林の立体構造（攪乱有無，単層/複層等）は生物多様性の保存にとっても＋/－3 m（林 冠 高/樹 冠 高＜15 m），＋/－25%（林冠高/樹冠高＞15 m）＋/－25 t/ha（バイオマス密度＜100 t/ha），＋/－25%（同＞100 t/ha）

Table 1 に，MOLI ミッション機器であるライダーとイメージャーの諸特性を示す．
過去に運用された GLAS，また 2018 年 12 月に打
ち 上 げ ら れ て 現 在 運 用 中 の Global Ecosystem
Dynamics Investigation Lidar: GEDI/NASA（2019年-2021 年予定）は，ライダーと画像センサーであTable 1

Fig. 5Characteristics of MOLI mission instruments（lidar and imager）.

Conceptual diagram of MOLI onboard ISS-JEM-EF.

49

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

るイメージャーとの同時観測システムを採用していAPD を 1 個使っている．Nd:YAG パルスレーザーかない．我々は，上述したミッション要求を満たすた

らの送信光は約 0.6° に拡げられており，これを検めにはフットプリント内の画像情報による樹冠のサ

出器の各素子が円形のパターンで切り取った形とな

イズ，高さ，および圃場データが非常に重要である

る．したがって，波長 1064 nm での視野は 2×2 にとの認識の元に，高解像度イメージャーをライダー配置された直径 0.21° の各円形で，隣り合った視野に隣接させた同時観測方式を採用した．また 3.1 での中心は 0.22° 離れている．532 nm での視野は直径指摘をしたように，林冠高/樹冠高の算出に際して

約 0.5° の円形である．このライダー装置は 532 nm

は地盤情報が重要である．MOLI ライダーはこの地の（偏光）チャンネルを持つことにより，地表面の盤傾斜に起因する誤差低減を目的に，二分割した送波長反射特性を得られる可能性がある．また，海面信レーザー光を地表面に照射してフットプリント対上で測定を行えば 532 nm での海洋植物プランクトを作り，ショット毎に along-track 方向に連続的に出ン観測の可能性があるが，航空機実験ではそれに適現する多数のフットプリント対の中から近接した 3

したパラメータでの観測は行っていない．

フットプリントを選び出して，それぞれの衛星-地レーザー光は航空機の窓から下方に打ち出され，上間の往復時間の差より地盤面傾斜角度および方位反射光が望遠鏡で集光され各々の APD により検出

角を自己決定する機能を持たせている 21）．Fig. 5 にされる．スタートパルス，Qsw 信号も 6Ch の受信は，ライダーから射出された 2 本のビームを赤色で信号と共に 500 MHz の高速 AD ポストエレクトロ

模写してある．

ニクスでデジタル信号に変えられて信号取得開始時

4．航空機搭載植生ライダーと搭載実験

刻と共にコントロール用の PC に記録される．PCは GPS タ イ ム サ ー バ ー か ら NTP（Network TimeMOLI の植生観測における実証と解析アルゴリズ

Protocol）で時刻補正されるようになっている．一ムの開発，さらに MOLI が衛星搭載されたときの方，航空機の位置・姿勢は航空機に搭載されている

検証実験に使うため航空機搭載植生ライダーを開発

POS システム（INS＋GPS）により 0.5 msec 毎に記し，2016 年 11 月 に 航 空 機 搭 載 実 験 を 行 っ た．

録されており，この時刻と信号の記録時刻を突き合

MOLI はイメージャーとの組合せで観測位置確認，わせることによりレーザー発振時刻における航空機

森林状況確認，さらには観測幅を拡張することを考の位置・姿勢が分かるようになっている．

えており，航空機実験でも可視光用のカメラをライ

航空機搭載実験は 2016 年 11 月 16，17，18 日にダー装置に同架して MOLI の運用状況を模擬でき行われたが，その前の試験飛行において，窓からのるようにした．

レ ー ザ ー 光 の 反 射 が 強 す ぎ て 1064 nm 用 の 4 個

航空機搭載植生ライダー装置（Fig. 6）では 20 Hz（Ch1‒4）の検出器の内 Ch4 が壊れた．そこで，反の Nd:YAG パ ル ス レ ー ザ ー（Quantel 社：Ultra50

射光の方向をより望遠鏡から遠ざけ影響を小さくし

GRM のアッテネータ付き）の基本波と 2 倍波を受たうえで，Ch1‒3 で観測を行うことにした．3 素子

信望遠鏡の中心位置前方から約 0.6° の広角で送信あれば 1 ショットのデータから地盤の傾きは推定でする．受信望遠鏡は広視野を確保するため口径 10

きる．また，航空機の速度が 100 m/s 前後なので，

cmϕ の屈折望遠鏡にした．波長 1064 nm の受信は，ショットごとの進行方向の距離は約 5 m となり，試作した MOLI ライダー用検出器である 2x2 アレ

連続するデータからも地盤傾斜の推定が行える．

イ Si-APD の全 4 素子を使い，4Channel 分のリター

観測方向の初期同定では海岸線の地形を使うこと

ン信号出力を得る．532 nm の P，S 偏光受信用にはが有効であった．カメラ画像とライダーのリターン

単素子の APD を 2 個使い，スタートパルス用にも信号を比較することにより，大体の位置を推定し，その後 Fig. 7（縦軸は信号強度，横軸は bin#．右側
が低高度側．陸地構造物からのリターン信号，海面からのリターン信号が見られる．
）のように信号の形と地形写真を比べることにより航空機に対する視野の方向を視野の 1/10 程度で決めることができた．
Fig. 8 には 5600 m の高度（視野は直径約 20 m）から の 森 林 観 測 の 一 例 を 示 す． 室 戸 の あ る 谷 筋 にCh1，2 がかかっており山側は Ch1，Ch3 の方角である．これらの信号から地盤傾斜の導出が可能にな

Fig. 650

Optical and data flow configurations of the lidar.

る．実際，いくつかの現地検証地点において地盤面

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

偏光 Mie 散乱ライダーである CALIOP の解析では，測定データから大気粒子の検出，大気粒子のタイプ
識別，そして消散係数等の光学特性の全球推定が行われてきた 22）．CALIOP 解析の多くでは測定された
波長 532 nm での減衰付き後方散乱係数と偏光解消度が用いられているが，MOLI では波長 1064 nm の減衰付き後方散乱係数を用いた大気粒子推定を行う．
従来のライダー解析における雲検出の多くでは，
信号校正されたライダー測定値である減衰付き後方散乱係数を用いた閾値法が利用されている 22）．減Fig. 7Return signals of Ch1 and Ch2 at 1064 nm, and measured
positions indicated on a coastline picture.

衰付き後方散乱係数は大気粒子等の消散によるライダー信号の減衰補正がなされていない．よって，ス
ペースライダーからの雲検出では，検出対象高度より上空に光学的に厚い大気粒子層が存在した場合，
誤判定を引き起こす可能性がある（検出対象高度に
本来は雲が有るはずなのに雲無しと判定される）．
そこで，雲検出をより高確度に実施するために，大気粒子の光学特性を推定して信号減衰を補正した後に雲検出を行い，更に雲検出の判定結果を大気粒子の光学特性推定に反映するとした，雲検出と大気粒
子の光学特性推定を同時に行う解析手法の開発を進めている．大気粒子の光学特性推定では Fernald の手法 23）や Platt の手法 24）の応用を検討している．その際にライダー比をどのように設定するかは重要な検討事項となる．また，MOLI ライダーは植生計測を主目的として設計されているため，従来の大気粒子計測用のスペースライダーに比べると光学的に薄い大気粒子（バックグラウンドエアロゾル等）に対する感度は低いという欠点がある一方で，その高度・水平分解能は 10 倍以上と格段に高いといった特徴も備えている．解析の工夫により，これまで把Fig. 8Return signals at 1064 nm and on-board-camera picture.

握出来なかった細かな大気現象を広範囲・同時に捉えることのできる可能性を秘めている．加えて，
MOLI ミッションではライダーと共にイメージャーの傾斜補正をしたほうが平均的な樹冠高が精度よくによる計測も行われる．ライダーの高度分布計測と導出され，MOLI の要求精度を満たすとの結果も出

イメージャーの水平分布計測の複合解析から，雲層ている 4）．航空機搭載実験では各種の樹林を観測し検出や大気粒子の光学特性の推定精度の向上が期待ており，データは樹冠高や炭素蓄積量を精度よく見できる．

積もるためのアルゴリズム開発に使われている．

5．観測可能な大気パラメータ

上記解析から，雲検出による上空の雲の有無，大気粒子の光学特性推定からライダー信号の減衰に関する情報が得られ，これらの情報は本ミッションの

MOLI ライダーの測定データを用いることで，雲核となる森林パラメータの高精度推定の実現に活用の検出と共に雲・エアロゾル（以下，大気粒子）のされる．例えば，地表面近傍でのライダー測定デー

波長 1064 nm での消散係数，後方散乱係数，光学

タの品質検査・保持（森林パラメータ推定で用いる的深さといった光学特性の推定が可能と考えられ測定データの取捨選択など）に利用される．また，る．2006 年 に NASA に よ っ て 打 ち 上 げ ら れ た

MOLI ミッションからの大気粒子プロダクトの発信

CALIPSO 衛星に搭載された 2 波長（532, 1064 nm）

は，科学コミュニティー並びに国内外社会に貢献す

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宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

るものであり重要な価値をもつ．CALIOP による連が経った．本ミッション検討の立ち上げ時から強力

続観測は，大気粒子の巨視的・微視的特性に関するな推進者であった故下田陽久先生（元東海大学教

10 年以上にわたる全球データを創生し，大気粒子

授）に心より謝辞を述べる．

に関わる気候・大気環境の諸分野での科学的知見の創出に多大な貢献を果たした．この CALIOP 観測の功績に基づき，宇宙からのライダーによる大気粒子の高度分布計測の継続が期待されると共に，大気粒子プロダクトの長期・継続的な取得も切望されており，MOLI ミッションはこれに貢献するものともなる．

6．我が国の宇宙ライダーにとってのMOLI 開発の重要性
現在の所，MOLI のフライトモデル開発および打ち上げ時期については未だ確定していないが，目下の目標は 2023 年としている．本ミッションの将来展望として，MOLI の実用性が確認されたなら国内行政機関，研究機関などとの連携を通して，MOLI
後継機として本格的且つ継続的な植生観測ミッションへ展開して国際貢献に役立てたい．
次に，レーザー高度計モードでの MOLI は宇宙か ら 地 盤 面 ま で の 精 度 良 い 測 距 が 可 能 な た め，
DEM 情報，DSM 情報さらに陰になってフォトグラ
メ ト リ ー で は 得 ら れ な い 地 盤 高（Digital Terrain
Model: DTM）情報が精度よく得られる．これらは，
ALOS-PRISM（Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）で取得された全球数値地
表 モ デ ル（ALOS World 3D: AW3D）25）の 較 正/比 較用にも応用可能であり，世界に誇る AW3D の更なる高精度化に役立つ可能性を秘めている．
また将来の地球観測を考える上で，ライダーは絶対に欠かすことの出来ない衛星搭載アクティブセン
サーとなるであろう．現在，以下の様な高機能ライ
ダーミッションが提案されている．
・H 2O 濃度，CO 2 濃度などの大気組成分子の 3次元マッピング可能な DIAL など 26）
・全 球 3 次 元 観 測 を め ざ す ド ッ プ ラ ー ラ イ
ダー 27, 28）
・観測幅を有す DEM 情報取得用スキャンニング
ライダー
・大気粒子を計測するドップラー計測機能を備えた偏光高スペクトル分解ライダー 29）
我が国初のライダーミッション・MOLI の成功がもたらす基盤技術は，これら次世代ライダーの開発に必ず繋がる重要な技術でもあると信じている．
謝

辞

MOLI ミッションの検討が始まってから約 10 年

52

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衛星搭載イメージング FTS とドップラー風ライダによる 全 球 風 速 複 合 観 測 JpGU-AGU Joint Meeting（2020）
MSD47‒07.
29）岡本 創，鈴木健太郎，西澤智明，石井昌憲，富田英一，ドップラー雲レーダと多視野角・高スペクトル分解・偏光ドップラーライダによる雲・エアロゾル・鉛直流観測

ミッション JpGU-AGU Joint Meeting（2020）MSD47‒09.

浅

井

和

弘

東北工業大学名誉教授．1968 年，東京電機大学工学部電気通信工学科卒．
東北大学電気通信研究所研究生・助手，郵政省電波研究所（現・情報通信研究機構）主任研究官，ジョージ
ア工科大学ポスト Dr.，東北工業大学
助教授・教授，同大学新技術創造研
究センター長を経て退職（2013 年）．
研究分野：飛翔体搭載ライダー，新波長固体レーザ．
NASDA 招へい開発部員（ライダー実証衛星（MDS・2
ELISE ミ ッ シ ョ ン 1995‒2000），JAXA 招 へ い/客 員（MOLI ミッション計画，2008‒2016 年，航空機搭載大気擾乱検出 CDL 開発，2010‒2017 年）．受賞：研究奨励賞（ト ー キ ン 科 学 技 術 振 興 財 団，1990 年），Order ofMerit 賞（ICLAS，2019 年），功労賞（レーザセンシン
グ学会，2019 年），所属学会：日本リモートセンシング
学会，レーザセンシング学会，日本地球惑星科学連合（JPGU）会員．
境

澤

大

亮

水

谷

耕

平

西

澤

智

明

宇宙航空研究開発機構 研究開発部門
センサ研究グループ主任研究開発員．
2008 年，東京都立大学大学院工学研
究科電気工学専攻修了 博士（工学），2008 年，宇宙航空研究開発機構地球観測研究センター招聘研究員，2013
年から同研究員を経て現職．地球観
測用ライダーの研究・開発に従事．

国立研究開発法人情報通信研究機
構 戦略的プログラムオフィス マ
ネージャー．1980 年，京都大学理学部卒．1985 年，京都大学理学博士．
1991 年 よ り 郵 政 省 通 信 総 合 研 究 所（現・ 情 報 通 信 研 究 機 構）． 研 究 分
野：リモートセンシング，ライダー．
首都大学東京客員教授（2001‒2017）．
JAXA 客員（2017‒）．
2004 年に東北大学大学院理学研究科
博士課程を修了し，理学博士の学位を取得．その後，日本学術振興会 PD（気 象 庁 気 象 研 究 所）を 経 て，2007
年より NIES 特別研究員として国立環境研究所に勤務し，2011 年に同研究所の主任研究員となる．現在は，
国立環境研究所環境計測研究セン
ター室長および九州大学客員教授．地上ネットワーク
ライダーや衛星・船舶搭載ライダーの観測データを用いたエアロゾル・雲の光学・微物理特性の解析研究や，
高スペクトル分解ライダー等のライダーシステムの開53

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

発に従事している．現在は，日欧共同地球観測衛星
ミッション EarthCARE のサインエンスチームにも参加し，同衛星搭載ライダー等を用いたエアロゾル・雲推
定アルゴリズムの開発チームの PI を務めている．日本
気象学会会員，日本地球惑星科学連合（JPGU）会員．

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）