(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022185296
(43)【公開日】2022-12-14
(54)【発明の名称】衛星画像の位置合わせ方法
(51)【国際特許分類】
G01S 13/90 20060101AFI20221207BHJP
【ＦＩ】
G01S13/90 176
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021092880
(22)【出願日】2021-06-02
(71)【出願人】
【識別番号】000002299
【氏名又は名称】清水建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100161506
【弁理士】
【氏名又は名称】川渕 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(72)【発明者】
【氏名】岩城 英朗
(72)【発明者】
【氏名】田中 博一
【テーマコード（参考）】
5J070
【Ｆターム（参考）】
5J070AD17
5J070AE07
5J070AF08
5J070AH19
5J070AK22
(57)【要約】
【課題】従来のＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりも衛星画像の位置ずれ及び歪みを少なくする。
【解決手段】本発明に係る衛星画像の位置合わせ方法では、多偏波で観測された多偏波観測データに基づく衛星画像をマスター画像３１０とし、多偏波観測データから得た垂直偏波や水平偏波での送受信に関する各成分に基づき、共分散行列を用いて、２回散乱強度、体積散乱強度、ヘリックス散乱強度に関する情報を取得する。また、マスター画像３１０内で、２回散乱強度が所定強度よりも高い第１特徴点と、ヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い第２特徴点と、を抽出し、各スレーブ画像３３０内で周囲よりも散乱波強度が高い類似点を選択する。また、第１特徴点及び第２特徴点の各座標と類似点の各座標との間の変換関数に基づいて、マスター画像３１０に対する複数のスレーブ画像３３０の位置合わせを行う。
【選択図】図３
【解決手段】本発明に係る衛星画像の位置合わせ方法では、多偏波で観測された多偏波観測データに基づく衛星画像をマスター画像３１０とし、多偏波観測データから得た垂直偏波や水平偏波での送受信に関する各成分に基づき、共分散行列を用いて、２回散乱強度、体積散乱強度、ヘリックス散乱強度に関する情報を取得する。また、マスター画像３１０内で、２回散乱強度が所定強度よりも高い第１特徴点と、ヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い第２特徴点と、を抽出し、各スレーブ画像３３０内で周囲よりも散乱波強度が高い類似点を選択する。また、第１特徴点及び第２特徴点の各座標と類似点の各座標との間の変換関数に基づいて、マスター画像３１０に対する複数のスレーブ画像３３０の位置合わせを行う。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
合成開口レーダを備えた人工衛星によって多偏波で観測された多偏波観測データに基づく衛星画像を位置合わせ元のマスター画像とし、前記多偏波観測データから、垂直偏波で送信し且つ垂直偏波で受信した観測データを表すＶＶ成分と、垂直偏波で送信し且つ水平偏波で受信した観測データを表すＶＨ成分と、水平偏波で送信し且つ水平偏波で受信した観測データを表すＨＨ成分と、水平偏波で送信し且つ垂直偏波で受信した観測データを表すＨＶ成分と、を取得する偏波別情報取得工程と、
前記ＶＶ成分、前記ＶＨ成分、前記ＨＨ成分、及び前記ＨＶ成分の４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて２回散乱強度を表すＰｄ成分、体積散乱強度を表すＰｖ成分、ヘリックス散乱強度を表すＰｃ成分の少なくとも３つの成分に関する情報を取得する散乱強度情報取得工程と、
前記マスター画像内で前記２回散乱強度が所定強度よりも高い点を第１特徴点として抽出し、前記マスター画像内で前記ヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い点を第２特徴点として抽出する特徴点抽出工程と、
位置合わせ対象の衛星画像をスレーブ画像として前記スレーブ画像内で周囲よりも散乱波強度が高い類似点を選択する類似点選択工程と、
前記第１特徴点の座標及び前記第２特徴点の各座標と前記類似点の座標との間の変換関数を算出し、前記変換関数に基づいて前記マスター画像に対する前記スレーブ画像の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
を備える、
衛星画像の位置合わせ方法。
前記ＶＶ成分、前記ＶＨ成分、前記ＨＨ成分、及び前記ＨＶ成分の４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて２回散乱強度を表すＰｄ成分、体積散乱強度を表すＰｖ成分、ヘリックス散乱強度を表すＰｃ成分の少なくとも３つの成分に関する情報を取得する散乱強度情報取得工程と、
前記マスター画像内で前記２回散乱強度が所定強度よりも高い点を第１特徴点として抽出し、前記マスター画像内で前記ヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い点を第２特徴点として抽出する特徴点抽出工程と、
位置合わせ対象の衛星画像をスレーブ画像として前記スレーブ画像内で周囲よりも散乱波強度が高い類似点を選択する類似点選択工程と、
前記第１特徴点の座標及び前記第２特徴点の各座標と前記類似点の座標との間の変換関数を算出し、前記変換関数に基づいて前記マスター画像に対する前記スレーブ画像の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
を備える、
衛星画像の位置合わせ方法。
【請求項2】
前記特徴点抽出工程において、前記第１特徴点と前記第２特徴点の総数が所定数よりも少ない場合、及び前記第１特徴点と前記第２特徴点が偏在する場合の少なくとも何れかの場合は、
前記特徴点抽出工程において、
前記マスター画像内で前記体積散乱強度が所定強度よりも高い点を第３特徴点として抽出し、
位置合わせ工程において、
前記第１特徴点の座標、前記第２特徴点、及び前記第３特徴点の各座標と前記類似点の座標との間の変換関数を算出し、前記変換関数に基づいて前記マスター画像に対する前記スレーブ画像の位置合わせを行う、
請求項１に記載の衛星画像の位置合わせ方法。
前記特徴点抽出工程において、
前記マスター画像内で前記体積散乱強度が所定強度よりも高い点を第３特徴点として抽出し、
位置合わせ工程において、
前記第１特徴点の座標、前記第２特徴点、及び前記第３特徴点の各座標と前記類似点の座標との間の変換関数を算出し、前記変換関数に基づいて前記マスター画像に対する前記スレーブ画像の位置合わせを行う、
請求項１に記載の衛星画像の位置合わせ方法。
【請求項3】
前記散乱強度情報取得工程において、
前記４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて表面散乱強度を表すＰｓ成分を取得し、
前記Ｐｓ成分、前記Ｐｄ成分、及び前記Ｐｖ成分を合成し、前記マスター画像内の前記ヘリックス散乱強度の高低を算出して前記Ｐｃ成分に関する情報を取得する、
請求項１又は２に記載の衛星画像の位置合わせ方法。
前記４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて表面散乱強度を表すＰｓ成分を取得し、
前記Ｐｓ成分、前記Ｐｄ成分、及び前記Ｐｖ成分を合成し、前記マスター画像内の前記ヘリックス散乱強度の高低を算出して前記Ｐｃ成分に関する情報を取得する、
請求項１又は２に記載の衛星画像の位置合わせ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、衛星画像の位置合わせ方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地表の様子や変動を広範囲且つ高分解能で捉えるために、合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar：ＳＡＲ）による観測が行われている。ＳＡＲでは、レーダを搭載した人工衛星（以下、ＳＡＲ衛星）や航空機の移動中に、地表へのマイクロ波の照射と地表からの反射波の受信とを行い、複数の情報を合成する。
【0003】
ＳＡＲの観測データには、所定の軌道に対する衛星や航空機の実際の軌道のずれや、観測対象の地表近くの天候や水蒸気量等の影響によって、観測対象の地表に対する位置ずれや歪みが生じる。例えば、公知の差分干渉解析法や時系列干渉解析法を用いて地表において変位が生じている変位場所と変位量を推定する場合に、ＳＡＲ画像の位置ずれや歪みを補正し、複数枚のＳＡＲ画像の位置合わせを行う必要がある。
【0004】
複数枚のＳＡＲ画像の位置合わせを行うためには、複数枚のＳＡＲ画像に共通する特徴点（Ｇｒｏｕｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｏｉｎｔ；ＧＣＰ、対応点とも呼ばれる）を各々のＳＡＲ画像内で抽出する必要がある。また、１枚のＳＡＲ画像（マスター画像）で選択した複数のＧＣＰの各々とそれに対応する残りのＳＡＲ画像（スレーブ画像）で検出したＧＣＰとの座標変換式を求め、求めた座標変換式をスレーブ画像に適用することによって、マスター画像とスレーブ画像との位置合わせを行うことができる。
【0005】
複数枚のＳＡＲ画像の位置合わせを行う方法として、種々提案されており、例えば観測した地域のデジタル標高データ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ）を用いてＳＡＲ画像同士の位置ずれを補正する方法が提案されている。また、観測によって得た２枚以上のＳＡＲ画像において共通する複数のＧＣＰを抽出し、それらの正規化相互関数を求め、求めた正規化相互関数をＳＡＲ画像に適用する方法（例えば、非特許文献１を参照）、位相限定相関法によってマスター画像及びスレーブ画像の対応点を探索し、ロバスト推定による画像の位置合わせを行い、変位ベクトルを算出し、ＳＡＲ画像同士の位置ずれを補正する方法等が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】飛田幹男，藤原智，村上亮，中川弘之：干渉SARのための高精度画像マッチング，測地学会誌，第45巻，第4号, pp. 297-314 (1999).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
２枚以上のＳＡＲ画像（衛星画像）を高精度に位置合わせを行う際には、複数枚のＳＡＲ画像に共通するＧＣＰを各々のＳＡＲ画像内でできる限り多く、且つ局所的なばらつきを少なくして平均的に抽出する必要がある。また、複数枚のＳＡＲ画像からＧＣＰを実際に抽出するためには、１枚のマスター画像内で散乱波強度が高い複数の点を選択し、それらの点と類似する複数の点（即ち、散乱波強度が高い点）を検出し、これらの点をＧＣＰとして座標変換式を求め、その座標変換値を各々のスレーブ画像に適用する。即ち、マスター画像とスレーブ画像との位置合わせの精度は、ＧＣＰの数及び相対配置に直接影響を受ける。
【0008】
しかしながら、マスター画像とスレーブ画像では観測条件が異なるため、上述のようにマスター画像内で単に散乱波強度が高い複数のＧＣＰを選択したとしても、それらのＧＣＰをスレーブ画像で参照可能かということ、及びマスター画像で選択した複数のＧＣＰは時間経過によって変動しない点であるかということは不明確であった。そのため、従来のＳＡＲ画像を用いた位置合わせでは、前述の不明確さに起因してＳＡＲによる観測で得られた衛星画像の位置ずれ及び歪みが少なからず残っていた。
【0009】
また、ＧＣＰは、例えば大型の構造物、長大な橋梁、埋立地の護岸の角部、交差点、河川堤防の角部や道路の曲がりに対して設定されることが適切であるが、ＳＡＲ画像内の散乱波強度の高低で地表の構造物等の形状を判別できるとは限らない。そのため、マスター画像内での散乱波強度の違いのみから地表における前述の構造物等の形状に適したＧＣＰを効率良く抽出することは難しい。その場合、ＳＡＲ衛星とは別の光学衛星により別途取得した光学画像や地図等を参照する必要性が生じる。つまり、従来では、光学画像や地図等との組み合わせや参照を行わないと、従来のＳＡＲ画像を用いた位置合わせでは、地上の特徴的な構造物に関する衛星画像の位置ずれや歪みがある程度発生する虞があった。
【0010】
本発明は、従来のＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりも衛星画像の位置ずれ及び歪みを少なくする衛星画像の位置合わせ方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係る衛星画像の位置合わせ方法は、合成開口レーダを備えた人工衛星によって多偏波で観測された多偏波観測データに基づく衛星画像を位置合わせ元のマスター画像とし、前記多偏波観測データから、垂直偏波で送信し且つ垂直偏波で受信した観測データを表すＶＶ成分と、垂直偏波で送信し且つ水平偏波で受信した観測データを表すＶＨ成分と、水平偏波で送信し且つ水平偏波で受信した観測データを表すＨＨ成分と、水平偏波で送信し且つ垂直偏波で受信した観測データを表すＨＶ成分と、を取得する偏波別情報取得工程と、前記ＶＶ成分、前記ＶＨ成分、前記ＨＨ成分、及び前記ＨＶ成分の４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて２回散乱強度を表すＰｄ成分、体積散乱強度を表すＰｖ成分、ヘリックス散乱強度を表すＰｃ成分の少なくとも３つの成分に関する情報を取得する散乱強度情報取得工程と、前記マスター画像内で前記２回散乱強度が所定強度よりも高い点を第１特徴点として抽出し、前記マスター画像内で前記ヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い点を第２特徴点として抽出する特徴点抽出工程と、位置合わせ対象の衛星画像をスレーブ画像として前記スレーブ画像内で周囲よりも散乱波強度が高い類似点を選択する類似点選択工程と、前記第１特徴点の座標及び前記第２特徴点の各座標と前記類似点の座標との間の変換関数を算出し、前記変換関数に基づいて前記マスター画像に対する前記スレーブ画像の位置合わせを行う位置合わせ工程と、を備える。
【0012】
上述の衛星画像の位置合わせ方法では、多偏波観測データに基づくマスター画像において複数の偏波情報による絶対的且つ時間経過による変動の少ない安定的な特徴点（第１特徴点、第２特徴点）が抽出される。また、マスター画像において、単偏波観測データのみでは抽出が難しい、地表面の構造物等の情報をふまえた特徴点が抽出される。そのため、上述の衛星画像の位置合わせ方法によれば、多偏波観測データに基づくマスター画像を基にして位置合わせ対象の全てのスレーブ画像の位置を高精度に合わせることができる。したがって、多偏波観測データに基づくマスター画像を導入することによって、従来の単偏波観測データのみに基づくＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりも位置合わせ対象のスレーブ画像の位置ずれ及び歪みを少なくすることができる。
【0013】
また、本発明に係る衛星画像の位置合わせ方法では、前記特徴点抽出工程において、前記第１特徴点と前記第２特徴点の総数が所定数よりも少ない場合、及び前記第１特徴点と前記第２特徴点が偏在する場合の少なくとも何れかの場合は、前記特徴点抽出工程において、前記マスター画像内で前記体積散乱強度が所定強度よりも高い点を第３特徴点として抽出し、位置合わせ工程において、前記第１特徴点の座標、前記第２特徴点、及び前記第３特徴点の各座標と前記類似点の座標との間の変換関数を算出し、前記変換関数に基づいて前記マスター画像に対する前記スレーブ画像の位置合わせを行ってもよい。
【0014】
上述の衛星画像の位置合わせ方法では、所定数及び特徴点の偏在度が適切に設定されることによって、従来の単偏波観測データのみに基づくＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりもマスター画像と複数のスレーブ画像の各々との位置合わせの精度がさらに高まる。
【0015】
また、本発明に係る衛星画像の位置合わせ方法では、前記散乱強度情報取得工程において、前記４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて表面散乱強度を表すＰｓ成分を取得し、前記Ｐｓ成分、前記Ｐｄ成分、及び前記Ｐｖ成分を合成し、前記マスター画像内の前記ヘリックス散乱強度の高低を算出して前記Ｐｃ成分に関する情報を取得してもよい。
【0016】
上述の衛星画像の位置合わせ方法では、例えばＰｓ成分、Ｐｄ成分、及びＰｖ成分を光の３原色の階調値で定量的に表した画像情報とし、ＲＧＢの画像を合成することによって、合成画像内の白色の明度やカラーバランス等によってＰｃ成分の情報を容易に把握可能である。したがって、マスター画像内のヘリックス散乱強度に関するＰｃ成分の情報が容易に取得される。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、従来のＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりも衛星画像の位置ずれ及び歪みを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明に係る一実施形態の衛星画像の位置合わせ方法を実現するための衛星画像補正システムと関連する構成要素の概略図である。
【図2】本発明に係る一実施形態の衛星画像の位置合わせ方法の処理を示すフローチャートである。
【図3】本発明に係る一実施形態の衛星画像の位置合わせ方法を説明するための概念図である。
【図4】本発明に係る一実施形態の衛星画像の位置合わせ方法を説明するための概念図である。
【図5】従来の衛星画像の位置合わせ方法を説明するための概念図である。
【図6】従来の衛星画像の位置合わせ方法を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明に係る衛星画像の位置合わせ方法について、図面を参照して説明する。
【0020】
図１に示すように、地表観測システム５０は、本発明に係る一実施形態の衛星画像の位置合わせ方法を用いて地表面Ｇ（即ち、地表）の観測を行う。地表観測システム５０は、複数のＳＡＲ衛星（人工衛星）１００と、複数のＳＡＲ衛星１００の各々と通信可能な位置合わせシステム２００と、を備える。
【0021】
複数のＳＡＲ衛星１００の各々は、地表面Ｇの上空の所定の軌道上で周回している。図１には、複数のＳＡＲ衛星１００のうちの２つのＳＡＲ衛星１０１、１０２が示されている。複数のＳＡＲ衛星１００のうち、少なくともＳＡＲ衛星１００は、ＳＡＲ（合成開口レーザ）を備え、地表面Ｇの観測領域Ｒを多偏波で観測可能に構成されている。ＳＡＲ衛星１００は、例えば地表面Ｇに対して水平なＨ偏波（水平偏波）を発信及び受信可能なアンテナと、地表面Ｇに対して垂直なＶ偏波（垂直偏波）を発信及び受信可能なアンテナと、Ｈ偏波及びＶ偏波に関する電波信号を前述の各アンテナに対して出入力可能に構成された信号処理部と、を備える。複数のＳＡＲ衛星１００のうち、ＳＡＲ衛星１０２は、観測領域Ｒを単偏波で観測可能に構成されている。
【0022】
位置合わせシステム２００は、地表面Ｇに設けられた基地局等に設置され、次に説明する処理を行うプログラムを内蔵している計算機或いはパーソナルコンピュータ等で構成されている。前述の基地局には、位置合わせシステム２００の他に、複数のＳＡＲ衛星１００の制御や周回移動の軌道の調整等を行う制御システム、各システムを稼働させるための電源、及び複数のＳＡＲ衛星１００の各々との各種信号の送受信を行うアンテナ等が設けられている。位置合わせシステム２００は、複数のＳＡＲ衛星１００の各々と無線で通信可能である。
【0023】
図２は、位置合わせシステム２００が行う、本発明に係る一実施形態の衛星画像の位置合わせ方法のフローチャートである。本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法は、少なくとも偏波別情報取得工程と、散乱強度情報取得工程と、特徴点抽出工程と、位置合わせ工程と、を備える。以下に、各工程について説明する。
【0024】
＜偏波別情報取得工程＞
偏波別情報取得工程において、位置合わせシステム２００は、ＳＡＲ衛星１０１から多偏波で観測された多偏波観測データ１５１を受信し、多偏波観測データ１５１に基づいて多偏波ＳＡＲ画像（多偏波で観測された衛星画像）を作成する（ステップＳ２５１）。多偏波観測データ１５１には、例えば偏波の向き（Ｖ／Ｈ）、電波の波長、ＳＡＲ衛星１０１から出射した電波の進路の地表面Ｇに対する角度等が含まれる。位置合わせシステム２００は、作成した多偏波ＳＡＲ画像を位置合わせ元のマスター画像３１０（図３参照）とする。
偏波別情報取得工程において、位置合わせシステム２００は、ＳＡＲ衛星１０１から多偏波で観測された多偏波観測データ１５１を受信し、多偏波観測データ１５１に基づいて多偏波ＳＡＲ画像（多偏波で観測された衛星画像）を作成する（ステップＳ２５１）。多偏波観測データ１５１には、例えば偏波の向き（Ｖ／Ｈ）、電波の波長、ＳＡＲ衛星１０１から出射した電波の進路の地表面Ｇに対する角度等が含まれる。位置合わせシステム２００は、作成した多偏波ＳＡＲ画像を位置合わせ元のマスター画像３１０（図３参照）とする。
【0025】
位置合わせシステム２００は、多偏波観測データ１５１を、ＶＶ成分、ＶＨ成分、ＨＨ成分、及びＨＶ成分の４つの成分に分解し、各成分の情報を取得する（ステップＳ２５２）。ＶＶ成分は、Ｖ偏波で観測領域Ｒに送信し、且つＶ偏波で観測領域Ｒから受信した観測データを表す。ＶＨ成分は、Ｖ偏波で観測領域Ｒに送信し、且つＨ偏波で観測領域Ｒから受信した観測データを表す。ＨＨ成分は、Ｈ偏波で観測領域Ｒに送信し、且つＨ偏波で観測領域Ｒから受信した観測データを表す。ＨＶ成分は、Ｈ偏波で観測領域Ｒに送信し、且つＨ偏波で観測領域Ｒから受信した観測データを表す。
【0026】
＜散乱強度情報取得工程＞
散乱強度情報取得工程において、位置合わせシステム２００は、ＶＶ成分、ＶＨ成分、ＨＨ成分、及びＨＶ成分の４つの成分及びその情報から、共分散行列（所謂、ｃｏｈｅｒｅｎｃｙ行列）を用いて少なくともＰｄ成分、Ｐｖ成分、及びＰｃ成分の３つの成分を算出し、これら３つの成分に関する情報を取得する（ステップＳ２５３）。
散乱強度情報取得工程において、位置合わせシステム２００は、ＶＶ成分、ＶＨ成分、ＨＨ成分、及びＨＶ成分の４つの成分及びその情報から、共分散行列（所謂、ｃｏｈｅｒｅｎｃｙ行列）を用いて少なくともＰｄ成分、Ｐｖ成分、及びＰｃ成分の３つの成分を算出し、これら３つの成分に関する情報を取得する（ステップＳ２５３）。
【0027】
Ｐｄ成分は、２回散乱強度を表し、例えば地表面Ｇの地面や海面と人工物の側面や木の幹等との直角構造から主に生じる。Ｐｖ成分は、体積散乱強度を表し、例えば地表面Ｇの植生等から主に生じる。Ｐｃ成分は、ヘリックス散乱強度を表し、直線偏波を円偏波に変える。例えば、多偏波の上述の４つの成分に対し、共分散行列に基づく４成分分解アルゴリズム等を適用することによって、少なくとも上述の３つの成分を算出でき、さらにＰｓ成分を算出できる。Ｐｓ成分は、表面散乱強度を表し、例えば地表面Ｇの平坦な地面や海面から主に生じる。
【0028】
＜特徴点抽出工程＞
特徴点抽出工程において、位置合わせシステム２００は、図３に示すように、マスター画像３１０内で２回散乱強度（即ち、Ｐｄ成分）が所定強度よりも高い点を第１特徴点ＧＣＰ１として抽出し（ステップＳ２５４）、マスター画像３１０内でヘリックス散乱強度（即ち、Ｐｃ成分）が所定強度よりも高い点を第２特徴点ＧＣＰ２として抽出する（ステップＳ２５５）。例えば、２回散乱強度の高低を光の３原色のうち赤（Ｒ）の階調値で定量的に表して画像化したマスター画像（図示略）において、２回散乱強度が所定強度よりも高い点の座標（ｘ１－１，ｙ１－１）、（ｘ１－２，ｙ１－２）、…、（ｘ１－ａ，ｙ１－ａ）を記録し、マスター画像３１０に反映することによって第１特徴点ＧＣＰ１－１，…，ＧＣＰ１－ａとして抽出できる。２回散乱強度に関する所定強度は、適宜設定することができる。ａは、２回散乱強度に関する所定強度によって変化する自然数である。
特徴点抽出工程において、位置合わせシステム２００は、図３に示すように、マスター画像３１０内で２回散乱強度（即ち、Ｐｄ成分）が所定強度よりも高い点を第１特徴点ＧＣＰ１として抽出し（ステップＳ２５４）、マスター画像３１０内でヘリックス散乱強度（即ち、Ｐｃ成分）が所定強度よりも高い点を第２特徴点ＧＣＰ２として抽出する（ステップＳ２５５）。例えば、２回散乱強度の高低を光の３原色のうち赤（Ｒ）の階調値で定量的に表して画像化したマスター画像（図示略）において、２回散乱強度が所定強度よりも高い点の座標（ｘ１－１，ｙ１－１）、（ｘ１－２，ｙ１－２）、…、（ｘ１－ａ，ｙ１－ａ）を記録し、マスター画像３１０に反映することによって第１特徴点ＧＣＰ１－１，…，ＧＣＰ１－ａとして抽出できる。２回散乱強度に関する所定強度は、適宜設定することができる。ａは、２回散乱強度に関する所定強度によって変化する自然数である。
【0029】
２回散乱強度と同様に、体積散乱強度（即ち、Ｐｖ成分）の高低を光の３原色のうち緑（Ｇ）の階調値で定量的に表して画像化したマスター画像（図示略）において、体積散乱強度が所定強度よりも高い点の座標（ｘ３－１，ｙ３－１）、（ｘ３－２，ｙ３－２）、…、（ｘ３－ｂ，ｙ３－ｂ）を記録し、マスター画像３１０に反映することによって第３特徴点ＧＣＰ３－１，…，ＧＣＰ３－ｂとして抽出できる。体積散乱強度に関する所定強度は、適宜設定することができる。ｂは、体積散乱強度に関する所定強度によって変化する自然数である。また、表面散乱強度（即ち、Ｐｓ成分）の高低を光の３原色のうち青（Ｂ）の階調値で定量的に表して画像化する。なお、従来用いられている単偏波観測でのＳＡＲ画像における散乱波強度に概ね相当するＰｓ成分は、地表面Ｇの観測対象物がＳＡＲ衛星に正対していない限り、比較的低く、少なくとも表面散乱強度に関する所定強度に相当する閾値よりも低くなる。
【0030】
ヘリックス散乱強度のＰｃ成分の高低は、Ｐｄ成分、Ｐｖ成分、及びＰｓ成分の合成値に基づいて判別できる。具体的には、上述のＰｄ成分に関する赤の画像、Ｐｖ成分に関する緑の画像、及びＰｓ成分に関する青の画像の３画像を合成し、３原色の合成色、即ち白色の明度で表されるヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い点の座標（ｘ２－１，ｙ２－１）、（ｘ２－２，ｙ２－２）、…、（ｘ２－ｄ，ｙ２－ｄ）を記録し、マスター画像３１０に反映することによって第２特徴点ＧＣＰ２－１，…，ＧＣＰ２－ｄとして抽出できる。ヘリックス散乱強度に関する所定強度は、適宜設定することができる。ｄは、ヘリックス強度に関する所定強度によって変化する自然数である。本明細書中では、第１、第２及び第３のうち何れかの特徴点ＧＣＰ＃－１、…、ＧＣＰ＃－（ａ、ｄ、ｂのうちの何れか）について共通する内容を説明する際には、これらの特徴点をまとめてＧＣＰ＃と記載する。
【0031】
マスター画像３１０内の特徴点としては、Ｐｄ成分に起因する第１特徴点ＧＣＰ１とＰｃ成分に起因する及び第２特徴点ＧＣＰ２を抽出する。但し、第１特徴点ＧＣＰ１の総数ａと第２特徴点ＧＣＰ２の総数ｄとの和（ａ＋ｄ）（第１特徴点と第２特徴点の総数）が所定数よりも少ない場合は、マスター画像３１０内の特徴点として、第１特徴点ＧＣＰ１及び第２特徴点ＧＣＰ２に加えて第３特徴点ＧＣＰ３を抽出することが好ましい（ステップＳ２５６）。所定数は、観測データの取得時の環境及び条件等をふまえて、適宜設定される。
【0032】
また、第１特徴点ＧＣＰ１及び第２特徴点ＧＣＰ２の少なくとも一方の特徴点がマスター画像３１０において偏在する場合も、マスター画像３１０内の特徴点として、第１特徴点ＧＣＰ１及び第２特徴点ＧＣＰ２に加えて第３特徴点ＧＣＰ３を抽出することが好ましい（ステップＳ２５７）。第１特徴点ＧＣＰ１及び第２特徴点ＧＣＰ２の各々の閾値となる偏在度は、観測データの取得時の環境及び条件等をふまえて、適宜設定される。
【0033】
＜類似点選択工程＞
類似点選択工程において、位置合わせシステム２００は、ＳＡＲ衛星１０２（あるいは、複数のＳＡＲ衛星１００のうちのＳＡＲ衛星１０２以外の単偏波の観測を行うＳＡＲ衛星）から単偏波で観測された単偏波観測データ１５２を受信し、単偏波観測データ１５２に基づいて単偏波ＳＡＲ画像を作成する（ステップＳ２５８）。単偏波観測データ１５２には、例えば偏波の向き（Ｖ／Ｈ）、電波の波長、ＳＡＲ衛星１０２から出射した電波の進路の地表面Ｇに対する角度等が含まれる。位置合わせシステム２００は、作成した単偏波ＳＡＲ画像を位置合わせ対象のスレーブ画像３３１、３３２（図３参照）とする。なお、図３には、２つのスレーブ画像３３１、３３２のみを例示しているが、スレーブ画像の枚数（総数）は３以上であってもよく、特定数に限定されない。以降では、複数のスレーブ画像について共通する内容を説明する際には、これらのスレーブ画像をまとめてスレーブ画像３３０と記載する。スレーブ画像３３０の総数は、例えば１０以上であり、２０以上であることが好ましい。
類似点選択工程において、位置合わせシステム２００は、ＳＡＲ衛星１０２（あるいは、複数のＳＡＲ衛星１００のうちのＳＡＲ衛星１０２以外の単偏波の観測を行うＳＡＲ衛星）から単偏波で観測された単偏波観測データ１５２を受信し、単偏波観測データ１５２に基づいて単偏波ＳＡＲ画像を作成する（ステップＳ２５８）。単偏波観測データ１５２には、例えば偏波の向き（Ｖ／Ｈ）、電波の波長、ＳＡＲ衛星１０２から出射した電波の進路の地表面Ｇに対する角度等が含まれる。位置合わせシステム２００は、作成した単偏波ＳＡＲ画像を位置合わせ対象のスレーブ画像３３１、３３２（図３参照）とする。なお、図３には、２つのスレーブ画像３３１、３３２のみを例示しているが、スレーブ画像の枚数（総数）は３以上であってもよく、特定数に限定されない。以降では、複数のスレーブ画像について共通する内容を説明する際には、これらのスレーブ画像をまとめてスレーブ画像３３０と記載する。スレーブ画像３３０の総数は、例えば１０以上であり、２０以上であることが好ましい。
【0034】
複数のスレーブ画像３３０の各々内で、必ずしも散乱強度が高くなくても見た目が似ている点、即ち周囲よりも散乱波強度が高い点を類似点ＡＰとして選択する（ステップＳ２５９）。例えば、図３に示すようにスレーブ画像３３１内で周囲よりも散乱波強度が高い複数の類似点ＡＰ１－１、ＡＰ１－２、…、ＡＰ１－ｅを選択し、各類似点の座標（ｘ´１－１，ｙ´１－１）、（ｘ´１－２，ｙ´１－２）、…、（ｘ´１－ｅ，ｙ´１－ｅ）の情報を取得する。また、スレーブ画像３３２内で周囲よりも散乱波強度が高い複数の類似点ＡＰ２－１、ＡＰ２－２、…、ＡＰ２－ｅを選択し、各類似点の座標（ｘ´２－１，ｙ´２－１）、（ｘ´２－２，ｙ´２－２）、…、（ｘ´２－ｅ，ｙ´２－ｅ）の情報を取得する。ｅは、複数のスレーブ画像３３０で互いに同一の自然数であり、マスター画像３１０における第１特徴点ＧＣＰ１、第２特徴点ＧＣＰ２、及び必要に応じての第３特徴点ＧＣＰ３の総数と同じであることが好ましい。本明細書中では、複数のスレーブ画像３３０の各々で選択された類似点ＡＰ１－１、ＡＰ１－２、…、ＡＰ１－ｅについて共通する内容を説明する際には、これらの類似点をまとめてＡＰと記載する。
【0035】
＜位置合わせ工程＞
位置合わせ工程において、位置合わせシステム２００は、第１特徴点ＧＣＰ１、第２特徴点ＧＣＰ２、及び必要に応じての第３特徴点ＧＣＰ３の各座標（ｘ，ｙ）と類似点ＡＰの各座標（ｘ´，ｙ´）との間の変換関数ｆｎを算出する（ステップＳ２６０）。ｎは、複数のスレーブ画像３３０の番号を表す。つまり、マスター画像３１０に対するスレーブ画像３３１の変換関数は、ｆ１と表す。図３に示すように、例えば、変換関数ｆ１を、第１特徴点ＧＣＰ１－１の座標（ｘ１－１，ｙ１－１）と類似点ＡＰ１－１の座標（ｘ´１－１，ｙ´１－１）との間、…、第２特徴点ＧＣＰ２－１の座標（ｘ２－１，ｙ２－１）と類似点ＡＰ１－３の座標（ｘ´１－３，ｙ´１－３）との間、…、第３特徴点ＧＣＰ３－１の座標（ｘ３－１，ｙ３－１）と類似点ＡＰ１－５の座標（ｘ´１－５，ｙ´１－５）との間の各々の変換変数として算出する。同様に、マスター画像３１０に対するスレーブ画像３３２の変換関数ｆ２を、第１特徴点ＧＣＰ１－１の座標（ｘ１－１，ｙ１－１）と類似点ＡＰ２－１の座標（ｘ´２－１，ｙ´２－１）との間、…、第２特徴点ＧＣＰ２－１の座標（ｘ２－１，ｙ２－１）と類似点ＡＰ２－３の座標（ｘ´２－３，ｙ´２－３）との間、…、第３特徴点ＧＣＰ３－１の座標（ｘ３－１，ｙ３－１）と類似点ＡＰ２－５の座標（ｘ´２－５，ｙ´２－５）との間の各々の変換変数として算出する。
位置合わせ工程において、位置合わせシステム２００は、第１特徴点ＧＣＰ１、第２特徴点ＧＣＰ２、及び必要に応じての第３特徴点ＧＣＰ３の各座標（ｘ，ｙ）と類似点ＡＰの各座標（ｘ´，ｙ´）との間の変換関数ｆｎを算出する（ステップＳ２６０）。ｎは、複数のスレーブ画像３３０の番号を表す。つまり、マスター画像３１０に対するスレーブ画像３３１の変換関数は、ｆ１と表す。図３に示すように、例えば、変換関数ｆ１を、第１特徴点ＧＣＰ１－１の座標（ｘ１－１，ｙ１－１）と類似点ＡＰ１－１の座標（ｘ´１－１，ｙ´１－１）との間、…、第２特徴点ＧＣＰ２－１の座標（ｘ２－１，ｙ２－１）と類似点ＡＰ１－３の座標（ｘ´１－３，ｙ´１－３）との間、…、第３特徴点ＧＣＰ３－１の座標（ｘ３－１，ｙ３－１）と類似点ＡＰ１－５の座標（ｘ´１－５，ｙ´１－５）との間の各々の変換変数として算出する。同様に、マスター画像３１０に対するスレーブ画像３３２の変換関数ｆ２を、第１特徴点ＧＣＰ１－１の座標（ｘ１－１，ｙ１－１）と類似点ＡＰ２－１の座標（ｘ´２－１，ｙ´２－１）との間、…、第２特徴点ＧＣＰ２－１の座標（ｘ２－１，ｙ２－１）と類似点ＡＰ２－３の座標（ｘ´２－３，ｙ´２－３）との間、…、第３特徴点ＧＣＰ３－１の座標（ｘ３－１，ｙ３－１）と類似点ＡＰ２－５の座標（ｘ´２－５，ｙ´２－５）との間の各々の変換変数として算出する。
【0036】
図３及び図４に示すように、位置合わせシステム２００は、変換関数ｆｎに基づいてマスター画像３１０とｎ番目のスレーブ画像３３０との位置合わせを行う（ステップＳ２６１）。以上の工程を行うことによって、多偏波観測されたマスター画像３１０に対して単偏波観測された複数のスレーブ画像３３０の各々を位置合わせできる。
【0037】
以上説明した本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法は、偏波別情報取得工程と、散乱強度情報取得工程と、特徴点抽出工程と、類似点選択工程と、位置合わせ工程と、を備える。偏波別情報取得工程では、ＳＡＲ衛星（合成開口レーダを備えた人工衛星）によって多偏波で観測された多偏波観測データ１５１に基づくＳＡＲ画像（衛星画像）を位置合わせ元のマスター画像３１０とし、多偏波観測データ１５１から、Ｖ偏波で送信し且つＶ偏波で受信した観測データを表すＶＶ成分と、Ｖ偏波で送信し且つＨ偏波で受信した観測データを表すＶＨ成分と、Ｈ偏波で送信し且つＨ偏波で受信した観測データを表すＨＨ成分と、Ｈ偏波で送信し且つＶ偏波で受信した観測データを表すＨＶ成分と、を取得する。散乱強度情報取得工程では、ＶＶ成分、ＶＨ成分、ＨＨ成分、及びＨＶ成分の４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて２回散乱強度を表すＰｄ成分、体積散乱強度を表すＰｖ成分、ヘリックス散乱強度を表すＰｃ成分の少なくとも３つの成分に関する情報を取得する。本実施形態では、前述の３つの成分に加え、表面散乱強度を表すＰｓ成分に関する情報も取得する。特徴点抽出工程では、マスター画像３１０内で２回散乱強度が所定強度よりも高い点を第１特徴点ＧＣＰ１として抽出し、マスター画像３１０内でヘリックス散乱強度が所定強度よりも高い点を第２特徴点ＧＣＰ２として抽出する。類似点選択工程では、従来の衛星画像の位置合わせと同様に、位置合わせ対象の衛星画像をスレーブ画像３３０として各スレーブ画像３３０内で周囲よりも散乱波強度が高い類似点ＡＰを選択する。位置合わせ工程では、第１特徴点ＧＣＰ１又は第２特徴点ＧＣＰ２の各座標と類似点ＡＰの各座標との間の変換関数ｆｎを算出し、変換関数ｆｎに基づいてマスター画像３１０に対する複数のスレーブ画像３３０の位置合わせを行う。
【0038】
本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法によれば、多偏波観測データ１５１に基づくマスター画像３１０を基準にするため、マスター画像３１０において複数の偏波（Ｖ／Ｈ）情報による絶対的且つ時間経過による変動の少ない安定的な特徴点（第１特徴点ＧＣＰ１、第２特徴点ＧＣＰ２）を抽出できる。また、マスター画像３１０において、単偏波観測データのみでは抽出が難しい、例えば、大型の構造物、長大な橋梁、埋立地の護岸の角部、交差点、河川堤防の角部や道路の曲がり等の情報をふまえて特徴点を抽出できる。そのため、本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法によれば、マスター画像３１０を基にして位置合わせ対象の全てのスレーブ画像３３０の位置を高精度に合わせることができる。一方、従来の衛星画像の位置合わせ方法では、図５に示すように単偏波観測データに基づく複数のＳＡＲ画像のうちの１枚のＳＡＲ画像をマスター画像３５１とし、残りのＳＡＲ画像をスレーブ画像３５２、…とする（図５には、スレーブ画像３５２のみを例示している）。マスター画像３５１内で周囲よりも散乱波強度が高い複数の点を類似点ＢＰ１、…、ＢＰｋ（図５及び図６では、ｋ＝５）とし、スレーブ画像３５０の各々内で周囲よりも散乱波強度が高い複数の点を類似点ＡＰ１、…、ＡＰｋとする。類似点ＢＰ１、…、ＢＰｋの各座標（ｘ，ｙ）と類似点ＡＰ１、…、ＡＰｋの各座標（ｘ´，ｙ´）との間に変換関数ｆを求める。変換関数ｆに基づいて類似点ＢＰ１、…、ＢＰｋに類似点ＡＰ１、…、ＡＰｋを合わせようとすると、図６に示すように、類似点ＢＰと類似点ＡＰとが大きくずれてしまい、位置ずれや歪みが発生する。しかしながら、多偏波観測データ１５１に基づくマスター画像３１０を導入することによって、従来の単偏波観測データのみに基づくＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりも位置合わせ対象のスレーブ画像（衛星画像）３３０の位置ずれ及び歪みを少なくすることができる。
【0039】
また、本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法では、特徴点抽出工程において、第１特徴点ＧＣＰ１と第２特徴点ＧＣＰ２の総数（ａ＋ｄ）が所定数よりも少ない場合、及び第１特徴点ＧＣＰ１と第２特徴点ＧＣＰ２が偏在する場合の少なくとも何れかの場合は、特徴点抽出工程において、マスター画像３１０内で体積散乱強度が所定強度よりも高い点を第３特徴点ＧＣＰ３として抽出する。加えて、位置合わせ工程において、第１特徴点ＧＣＰ１の座標、第２特徴点ＧＣＰ２だけではなく、第３特徴点ＧＣＰ３との各座標と前記類似点の座標との間の変換関ｆｎ数を算出し、変換関数ｆｎに基づいてマスター画像３１０に対するスレーブ画像３３０の各々の位置合わせを行う。
【0040】
本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法では、マスター画像３１０内の特徴点の数及び偏在度を、マスター画像３１０と複数のスレーブ画像３３０の各々との位置合わせの精度を高められる数及び偏在度にするために、第１特徴点ＧＣＰ１及び第２特徴点ＧＣＰ２に加えて第３特徴点ＧＣＰ３を導入できる。つまり、本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法によれば、従来の単偏波観測データのみに基づくＳＡＲ画像を用いた位置合わせよりもマスター画像３１０と複数のスレーブ画像３３０の各々との位置合わせの精度をさらに高めることができる。
【0041】
また、本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法では、散乱強度画像取得工程において、ＶＶ成分、ＶＨ成分、ＨＨ成分、及びＨＶ成分の４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて表面散乱強度を表すＰｓ成分を取得し、Ｐｓ成分、Ｐｄ成分、及びＰｖ成分を合成し、マスター画像３１０内のヘリックス散乱強度の高低を算出してＰｃ成分に関する情報を取得できる。
【0042】
本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法によれば、例えば多偏波観測データのＰｓ成分、Ｐｄ成分、及びＰｖ成分を光の３原色（ＲＧＢ）の階調値で定量的に表した画像情報とし、ＲＧＢの画像を合成することによって、合成画像内の白色の明度やカラーバランスによってＰｃ成分の情報を容易に把握できる。したがって、本実施形態の衛星画像の位置合わせ方法によれば、マスター画像３１０内のヘリックス散乱強度に関するＰｃ成分の情報を容易に取得できる。
【0043】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、変更可能である。
【0044】
例えば、上述の実施形態において、ＳＡＲ衛星１０１とＳＡＲ衛星１０２が互いに同一のＳＡＲ衛星で構成されてもよく、当該ＳＡＲ衛星が多偏波及び単偏波の両方で観測可能に構成されていてもよい。その場合、例えば複数のスレーブ画像３３０は、マスター画像３１０を観測した時期とは異なる時期に当該ＳＡＲ衛星が観測領域Ｒに向けて周回した際に観測された単偏波でのデータに基づいてもよい。また、上述の実施形態において、スレーブ画像３３０は、１枚であってもよい。
【0045】
例えば、上述の実施形態において、多偏波観測データのＰｓ成分、Ｐｄ成分、及びＰｖ成分を光の３原色の階調値で定量的に表した画像情報とし、ＲＧＢの画像を合成することによって、ヘリックス散乱強度に関するＰｃ成分の情報を取得できる旨を説明したが、多偏波観測データのＶＶ成分、ＶＨ成分、ＨＨ成分、及びＨＶ成分の４つの成分に関する情報から、共分散行列を用いて求めた４つの成分から、Ｐｃ成分の高低を定量的に直接確認することもできる。
【符号の説明】
【0046】
１００、１０１、１０２…ＳＡＲ衛星（人工衛星）
２００…位置合わせシステム
２００…位置合わせシステム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】