X バンドレーダ衛星
バンドレーダ衛星の衛星の時系列観測による時系列観測による水稲生育情報による水稲生育情報の水稲生育情報の抽出に抽出に関する検討
する検討
環境リモートセンシング研究室
指導教員
1．はじめに良質米の安定生産のため実施される水稲生育調査は、主に人手に依存した現地調査により把握されている。この調査手法は多大なる時間と労力が必要であり、広範囲にわたる生育状態の把握が難しい。
そのため、リモートセンシング技術の応用に期待が寄せられているが、光学センサを用いた生育状態の推定手法は天候に左右されるなどの問題がある。その点、SAR 衛星は昼夜問わず全天候において観測が実施できる。全天候で観測できるというこの利点から、年間を通じて一定基準でデータ取得が可能であり、過去のデータとの互換性がある。
マイクロ波の散乱特性は波長によって異なる。地上で実施された水稲の X バンド後方散乱基礎計測実験
結果 1)によると、水稲の生長に伴い後方散乱が変化する。さらに、X バンドは波長が短いため水稲の上層部で散乱しやすいことが報告されている。しかし、水稲の X バンド後方散乱の時系列変化をレーダ衛星で観測した例は報告されていない。
そこで本研究は、高空間分解能 X バンド合成開口レーダ（SAR）衛星「TerraSAR-X」を用いて水稲の後方散乱を時系列観測した。その結果を地上基礎計測実験
結果 1)および、草丈、茎数、葉令、SPAD などの水稲生育情報と比較することにより、レーダ衛星の後方散乱観測値と水稲生育情報との関係を総合的に検討することを目的とした。
2．研究の研究の全体像
研究の全体像を図 1 に示す。観測事項として、
TerraSAR-X を用い 2008 年 6 月～8 月の 5 シーンと2009 年 8 月～9 月の 6 シーンの合計 11 シーンの衛星観測を実施した。また、衛星観測と同時期に水田において草丈、茎数、葉令、SPAD などの生育情報を現地観測で取得した。
これらの観測で取得した結果を用い、レーダ衛星の後方散乱観測値と水稲生育情報との関係を解析した。
2008 年と 2009 年の衛星観測結果を用い、水稲の移植後から収穫前までの後方散乱観測値の時系列解析を実施した。2008 年、2009 年の衛星観測結果と、同時期に取得した現地観測結果の関係をそれぞれ解析した。2009 年については、衛星観測結果と光学センサデータの正規化植生指標（ALOS AVNIR-2）および食味データ（米粒蛋白含有量、米粒アミロース含有量）の関係を解析した。

力丸厚、高橋倉品泰佑

一義、坂田健太

観測事項
2008年
年

2009年
年

・TerraSAR-X衛星観測 6月～8月
・同時期現地観測

・TerraSAR-X衛星観測 8月～9月
・同時期現地観測

解析事項
時系列解析
2008年 TerraSAR-X衛星観測結果
2008年、2009年
TerraSAR-X衛星観測結果
2009年 TerraSAR-X衛星観測結果

2009年 TerraSAR-X衛星観測結果
関係解析
関係解析
関係解析

2009年 TerraSAR-X衛星観測結果

2008年、2009年
同時期現地観測結果
光学センサ 正規化植生指標
食味データ

図 1. 研究の全体像

3．対象地域と対象地域と観測衛星
研究対象地域は長岡市越路地域とした。対象地域の田植えは、概ね 5 月上旬から中旬にかけて行われ、出穂時期は 8 月上旬から中旬、刈り取り時期は 9 月上旬から下旬である。圃場の平均的な大きさは約 30m×100m である。
観測衛星 TerraSAR-X は 2007 年に運用開始されたドイツの衛星で、高空間分解能で観測可能な商業 SAR衛星である。本研究では、空間分解能 6.6ｍで HH お
よび VV 偏波の観測を注文した。HH とは、SAR から水平偏波を送信し、水平偏波で受信する観測方式であり、VV は垂直偏波の組み合わせを示す。
4．使用データ
使用データ
１）現地水稲
現地水稲生育水稲生育調査生育調査データ
調査データ
水稲生育情報の取得のため、対象地域の現地圃場において水稲生育調査を実施した。調査項目は、草丈、茎数、葉数、SPAD、葉重量、穂重量である。同時に水稲の様子を 5ｍの高さから対象地域の衛星入射角である 35°で撮影している。
2）光学センサデータ
光学センサデータ
水稲登熟期の葉の活性度とレーダ後方散乱の関係を比較検討するために、2009 年 8 月 16 日に観測したALOS AVNIR-2 データを使用データとした。
3）食味データ
食味データ
水稲登熟期の止葉（穂直下葉）の葉身窒素濃度と米粒蛋白含有率の間には高い正の相関がある。そこで、刈り取り集荷後の米粒蛋白含有量を媒介して、衛星データと葉身窒素含有率の比較を実施した。

300

出穂
250
200
HH 画素値

5．解析方法
解析方法
衛星観測データと使用データとの解析方法を図 2に示す。取得した観測衛星データは UTM 座標系に幾何補正され、DEM 補正がなされている。現地調査圃
場の特定には、農地区画ベクタデータを用いた。この
2 つのデータを重ねあわせ、同一圃場内の生育段階が同じだと仮定し、各圃場内の後方散乱観測値の平均値を算出した。この処理を衛星観測した全 11 シーンで実施し、使用データと比較解析した。

15010050020

衛星観測データ

6080100
田植え後日数（日）120140160

図 3. HH 偏波後方散乱の時系列変化
200

出穂

180160140
VV 画素値

6．結果
1）水稲の水稲の後方散乱観測
後方散乱観測値
観測値の変化水稲の後方散乱観測値の変化を事前に取得している
各調査圃場の作付け日からの日数でみた。図 3 および４に2008年と2009年のデータをあわせた後方散乱の時系列推移を示す。その結果、Inoue らの基礎地上計
測実験 1) の結果（図 5）を衛星データで裏付けることができた。
水稲の後方散乱は作付け後 40 日付近から減少し、80 日付近から増加する。この増加は VV 偏波で顕著に現れた。対象地域の平均的な出穂は 8 月初旬であり、この時期は作付け開始から 80 日付近にあたる。

4012010080604020020406080100
作付け後日数（日）120140160

図 4. VV 偏波後方散乱の時系列変化

圃場ベクタデータ

重ね合わせ

図 5. 地上基礎計測実験結果 1)
圃場内平均値算出
全観測日で出力

現地生育調査データ
光学センサデータ
食味データ

時系列解析
レーダ衛星観測データ

関係解析

ベクタデータ
重ね合わせ

後方散乱観測値の一区画ベクタ内平均値算出

図 2. 解析方法

2）水稲生育情報
水稲生育情報との生育情報との関係との関係
2008 年の現地水稲生育調査で取得した草丈、茎数、葉数、SPAD と後方散乱観測値の関係を調査した。その結果、葉令の増加と VV 偏波後方散乱の減少の間で弱い負の相関関係がみられたが、明確な相関関係を把握するには至らなかった（図 6）。現地水稲生育調査を実施した各圃場は、栽培密度や作付方向と衛星観測方向の成す角が異なる。さらに、圃場周辺の構造物や畦道によるノイズ成分を含む可能性がある。このような現地の状況によって、統計的に明確な相関関係を確認できなかったと考えられる。

16141210
葉数（枚）3）水稲生育情報
水稲生育情報との生育情報との関係との関係（関係（圃場別圃場別）
図 7 に 2008 年の現地水稲生育調査結果と衛星観測結果を圃場別にまとめた一圃場の例を示す。後方散乱観測値は水稲の生長に伴い減少し、圃場の表層部が面的に構成される時期から上昇していた。X バンドは稲体の表層部で散乱しやすいため、後方散乱観測値は圃場の表層部の状態と関係すると考えられる。

8y = -0.0423x + 15.359
R2 = 0.2959

64

参考文献
1) Y.Inoue, Season-long daily measurements ofmultifrequency （ Ka,Ku,X,C,and L ） and
full-polarization backscatter signatures overpaddy rice field and their relationship withbiological variables,Remote Sensing ofEnvironment 81,p194-204、2002

20050100VV 画素値

150200

図 6. 葉令と VV 偏波観測値の関係①10080
草丈（cm）
茎数（本）SPAD値②③④⑤14草丈（cm）
茎数（本）
SPAD
葉令（枚）

1210860640420

葉令（枚）120200後方散乱観測値

7．まとめ
X バンドレーダ衛星を用いて水稲の後方散乱を時系列把握した結果、Inoue ら 1)の地上基礎計測実験結果を衛星データで裏付けることができた。
しかし、水稲の後方散乱観測値は各圃場のノイズ成分を含む結果となった。そのため、水稲生育情報と衛星観測結果の明確な相関関係は確認できなかった。
圃場ごとの水稲生育情報と衛星観測結果の関係から、後方散乱観測値は圃場の表層部の状態と関係すると考えられる。
今後は、個々の圃場のノイズ成分を考慮することで、X バンドレーダ衛星の観測によって水稲生育情報を抽出できる可能性がある。

23021019017015013011090705020406080
移植後日数（日）1000120406080
移植後日数（日）100120

VV観測値
HH観測値

0

撮影時期

20①②③④⑤

作付方向写真（圃場横から撮影）

衛星観測方向写真（高さ5m、入射角35°から撮影）

図 7. 圃場別 現地水稲生育調査結果と衛星観測結果[圃場 No.9]（2008）