JP3348834B2 - 水中物質の濃度推定方法及び装置、記録媒体 - Google Patents
水中物質の濃度推定方法及び装置、記録媒体Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リモートセンシン
グを利用した画像解析技術に係り、より詳しくは、人工
衛星等のリモートセンシングによるマルチスペクトル画
像データから特定水域における水中物質（溶存物質、懸
濁物質等、以下同じ）の濃度を推定する手法に関する。
ここでマルチスペクトル画像データとは、光を用いて所
定の波長帯域毎に撮影した複数の画像データから成るも
のである。
グを利用した画像解析技術に係り、より詳しくは、人工
衛星等のリモートセンシングによるマルチスペクトル画
像データから特定水域における水中物質（溶存物質、懸
濁物質等、以下同じ）の濃度を推定する手法に関する。
ここでマルチスペクトル画像データとは、光を用いて所
定の波長帯域毎に撮影した複数の画像データから成るも
のである。
【０００２】
【従来の技術】航空機や人工衛星によるリモートセンシ
ングを利用して、国土や海域等の環境を広域且つ周期的
に観測する技術が知られている。また、この技術の適用
例として、マルチスペクトル画像データを用いた、特定
水域（海域）における水中物質の濃度推定手法について
の検討がなされている。従来のこの種の濃度推定方法
は、例えば、対象となる特定水域の複数の観測地点にお
いて実測された水中物質の濃度データ（以下、トゥルー
スデータ：TruthData）と、リモートセンシングにより
撮影された当該特定水域のマルチスペクトル画像データ
に含まれる輝度値との相関関係を利用して、その画像全
体における水中物質の濃度を推定するものである。この
ような手法は、経験的な回帰関係式や統計的手法に基づ
いた、所謂、Ｅｍｐｉｒｉｃａｌな枠組みによるもので
ある。
ングを利用して、国土や海域等の環境を広域且つ周期的
に観測する技術が知られている。また、この技術の適用
例として、マルチスペクトル画像データを用いた、特定
水域（海域）における水中物質の濃度推定手法について
の検討がなされている。従来のこの種の濃度推定方法
は、例えば、対象となる特定水域の複数の観測地点にお
いて実測された水中物質の濃度データ（以下、トゥルー
スデータ：TruthData）と、リモートセンシングにより
撮影された当該特定水域のマルチスペクトル画像データ
に含まれる輝度値との相関関係を利用して、その画像全
体における水中物質の濃度を推定するものである。この
ような手法は、経験的な回帰関係式や統計的手法に基づ
いた、所謂、Ｅｍｐｉｒｉｃａｌな枠組みによるもので
ある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な経験的な回帰関係式や統計的手法に即した従来の枠組
みによる濃度推定手法では、例えば、時空間的変動が大
きく且つ複数の汚染物質が混在するような沿岸域を濃度
推定の対象とする場合に、特定水域毎に解析精度がバラ
つくために、現地観測データである膨大なトゥルースデ
ータを再度取り直さなければならないという問題があっ
た。また、膨大なトゥルースデータを取り直した場合に
は、その都度、回帰関係式等の計算をやり直す必要があ
り、演算処理が煩雑になるばかりでなく、濃度推定に係
る演算サイクルが長くなり、トゥルースデータと濃度推
定値との濃度誤差を低減させることが難しいという問題
があった。
な経験的な回帰関係式や統計的手法に即した従来の枠組
みによる濃度推定手法では、例えば、時空間的変動が大
きく且つ複数の汚染物質が混在するような沿岸域を濃度
推定の対象とする場合に、特定水域毎に解析精度がバラ
つくために、現地観測データである膨大なトゥルースデ
ータを再度取り直さなければならないという問題があっ
た。また、膨大なトゥルースデータを取り直した場合に
は、その都度、回帰関係式等の計算をやり直す必要があ
り、演算処理が煩雑になるばかりでなく、濃度推定に係
る演算サイクルが長くなり、トゥルースデータと濃度推
定値との濃度誤差を低減させることが難しいという問題
があった。
【０００４】そこで本発明の課題は、マルチスペクトル
画像データを利用して特定水域における水中物質の濃度
を推定する場合に、当該画像データの撮像領域や、撮像
時における大気状態等の撮像環境が変化した場合であっ
ても濃度の推定精度を一定水準に維持することを可能と
なる、改良された濃度推定方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、上記濃度推定方法の実施に適した
濃度推定装置を提供することにある。本発明の他の課題
は、上記濃度推定方法及び装置等をコンピュータ装置上
で実現するための記録媒体を提供することにある。
画像データを利用して特定水域における水中物質の濃度
を推定する場合に、当該画像データの撮像領域や、撮像
時における大気状態等の撮像環境が変化した場合であっ
ても濃度の推定精度を一定水準に維持することを可能と
なる、改良された濃度推定方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、上記濃度推定方法の実施に適した
濃度推定装置を提供することにある。本発明の他の課題
は、上記濃度推定方法及び装置等をコンピュータ装置上
で実現するための記録媒体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の濃度推定方法
は、特定水域をその上空から複数の波長帯域で撮影して
得たマルチスペクトル画像データと撮影時の環境情報、
例えば画像の解像度、画像センサの検出波長、大気の状
態、太陽の位置等の情報とを取得して前記特定水域にお
ける水中物質の濃度を導出する装置における濃度推定方
法であって、前記マルチスペクトル画像データから前記
特定水域における第１光放射量を導出するとともに、前
記環境情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前
記特定水域における第２光放射量を導出し、導出した前
記第１光放射量および第２光放射量に基づいて光学特性
が表す水中物質の濃度を推定する処理を、前記装置上で
実行することを特徴とする。
は、特定水域をその上空から複数の波長帯域で撮影して
得たマルチスペクトル画像データと撮影時の環境情報、
例えば画像の解像度、画像センサの検出波長、大気の状
態、太陽の位置等の情報とを取得して前記特定水域にお
ける水中物質の濃度を導出する装置における濃度推定方
法であって、前記マルチスペクトル画像データから前記
特定水域における第１光放射量を導出するとともに、前
記環境情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前
記特定水域における第２光放射量を導出し、導出した前
記第１光放射量および第２光放射量に基づいて光学特性
が表す水中物質の濃度を推定する処理を、前記装置上で
実行することを特徴とする。
【０００６】上記処理は、具体的には、光の放射伝達方
程式を水中における光の多流束モデルを用いて近似化す
ることにより第１光放射量及び第２光放射量を要素に含
む濃度推定関数を作成し、この濃度推定関数に前記導出
した第１光放射量及び第２光放射量を適用することで、
前記水中物質の濃度を推定するものである。前記濃度推
定関数は、例えば第１および第２光放射量が前記水中物
質の濃度に非線形に依存する形態のものであり、前記光
学特性情報は、例えば前記水中物質の光に対する粒子レ
ベルのミクロな反射特性及び吸収特性を含む情報であ
る。
程式を水中における光の多流束モデルを用いて近似化す
ることにより第１光放射量及び第２光放射量を要素に含
む濃度推定関数を作成し、この濃度推定関数に前記導出
した第１光放射量及び第２光放射量を適用することで、
前記水中物質の濃度を推定するものである。前記濃度推
定関数は、例えば第１および第２光放射量が前記水中物
質の濃度に非線形に依存する形態のものであり、前記光
学特性情報は、例えば前記水中物質の光に対する粒子レ
ベルのミクロな反射特性及び吸収特性を含む情報であ
る。
【０００７】上記他の課題を解決する本発明の濃度推定
装置は、前記マルチスペクトル画像データ及び前記環境
情報を取得する取得手段と、取得したマルチスペクトル
画像データを放射輝度データに換算するとともに換算さ
れた放射輝度データに基づいて前記特定水域における第
１光放射量を導出する第１光放射量導出手段と、前記環
境情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特
定水域における第２光放射量を導出する第２光放射量導
出手段と、光の放射伝達方程式を水中における光の多流
束モデルを用いて近似化することにより前記観測放射量
及び前記理論放射量を要素に含む濃度推定関数を作成
し、前記導出した観測放射量及び理論放射量を前記作成
した濃度推定関数に適用して前記濃度を推定する濃度推
定手段と、を備えたことを特徴とする。
装置は、前記マルチスペクトル画像データ及び前記環境
情報を取得する取得手段と、取得したマルチスペクトル
画像データを放射輝度データに換算するとともに換算さ
れた放射輝度データに基づいて前記特定水域における第
１光放射量を導出する第１光放射量導出手段と、前記環
境情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特
定水域における第２光放射量を導出する第２光放射量導
出手段と、光の放射伝達方程式を水中における光の多流
束モデルを用いて近似化することにより前記観測放射量
及び前記理論放射量を要素に含む濃度推定関数を作成
し、前記導出した観測放射量及び理論放射量を前記作成
した濃度推定関数に適用して前記濃度を推定する濃度推
定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】前記第２光放射量導出手段は、例えば、前
記環境情報から前記特定水域の水面に入射する光の下向
き放射量を算出するとともに、前記算出した下向き放射
量及び既定の水中物質群の光学特性情報に基づいて前記
特定水域の水面から放射される光の放射量を算出し、こ
れらの算出結果に基づいて前記第２光放射量を導出する
ように構成される。また、前記特定水域の水面から放射
される、前記波長帯域毎の最大波長及び最小波長の放射
輝度の積分値を算出し、この積分値に基づいて前記第２
光放射量を導出するように構成される。
記環境情報から前記特定水域の水面に入射する光の下向
き放射量を算出するとともに、前記算出した下向き放射
量及び既定の水中物質群の光学特性情報に基づいて前記
特定水域の水面から放射される光の放射量を算出し、こ
れらの算出結果に基づいて前記第２光放射量を導出する
ように構成される。また、前記特定水域の水面から放射
される、前記波長帯域毎の最大波長及び最小波長の放射
輝度の積分値を算出し、この積分値に基づいて前記第２
光放射量を導出するように構成される。
【０００９】また、前記濃度推定手段は、例えば、前記
第１光放射量及び第２光放射量が水中物質の濃度に対し
て非線形に依存する、所定の非線形最小２乗問題に基づ
いて前記濃度推定関数を作成し、前記第２光放射量にお
ける吸収係数及び散乱係数に含まれる水中物質の濃度要
素を前記濃度推定関数に適用して濃度を推定するととも
に、この推定結果に即して前記濃度要素を更新するよう
に構成される。この更新は、前記第２光放射量と前記第
１放射量との差分に基づく評価値が最小になるまで反復
される。これにより、最適な濃度が得られる。
第１光放射量及び第２光放射量が水中物質の濃度に対し
て非線形に依存する、所定の非線形最小２乗問題に基づ
いて前記濃度推定関数を作成し、前記第２光放射量にお
ける吸収係数及び散乱係数に含まれる水中物質の濃度要
素を前記濃度推定関数に適用して濃度を推定するととも
に、この推定結果に即して前記濃度要素を更新するよう
に構成される。この更新は、前記第２光放射量と前記第
１放射量との差分に基づく評価値が最小になるまで反復
される。これにより、最適な濃度が得られる。
【００１０】上記他の課題を解決する本発明の記録媒体
は、前記マルチスペクトル画像データと前記環境情報と
を取得する機能を有するコンピュータ装置に読み取られ
たときに、前記コンピュータ装置に少なくとも下記の処
理を実行させるためのプログラムが記録された記録媒体
である。 （１）前記マルチスペクトル画像データから前記特定水
域における第１光放射量を導出するとともに、前記環境
情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特定
水域における第２光放射量を導出する処理、（２）光の
放射伝達方程式を水中における光の多流束モデルを用い
て近似化することにより前記観測放射量及び前記理論放
射量を要素に含む濃度推定関数を作成し、前記導出した
観測放射量及び前記理論放射量を前記作成した濃度推定
関数に適用して前記水中物質の濃度を推定する処理。
は、前記マルチスペクトル画像データと前記環境情報と
を取得する機能を有するコンピュータ装置に読み取られ
たときに、前記コンピュータ装置に少なくとも下記の処
理を実行させるためのプログラムが記録された記録媒体
である。 （１）前記マルチスペクトル画像データから前記特定水
域における第１光放射量を導出するとともに、前記環境
情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特定
水域における第２光放射量を導出する処理、（２）光の
放射伝達方程式を水中における光の多流束モデルを用い
て近似化することにより前記観測放射量及び前記理論放
射量を要素に含む濃度推定関数を作成し、前記導出した
観測放射量及び前記理論放射量を前記作成した濃度推定
関数に適用して前記水中物質の濃度を推定する処理。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、人工衛星から撮影された特
定水域のマルチスペクトル画像データ（以下、衛星画像
データ）を用いて、特定水域の水中物質の濃度推定を行
う場合の実施の形態を説明する。濃度推定は、例えばコ
ンピュータを用いた濃度推定装置によって行う。ここで
は、この濃度推定装置の主制御手段（ＣＰＵ）が、以下
のようにして衛星画像データと光（電磁波を含む）の放
射伝達理論とに基づく水中物質の濃度を算出すること
で、濃度推定を行う場合の例を挙げる。
定水域のマルチスペクトル画像データ（以下、衛星画像
データ）を用いて、特定水域の水中物質の濃度推定を行
う場合の実施の形態を説明する。濃度推定は、例えばコ
ンピュータを用いた濃度推定装置によって行う。ここで
は、この濃度推定装置の主制御手段（ＣＰＵ）が、以下
のようにして衛星画像データと光（電磁波を含む）の放
射伝達理論とに基づく水中物質の濃度を算出すること
で、濃度推定を行う場合の例を挙げる。
【００１２】まず、本発明において用いる放射伝達理論
について説明する。なお、ここでは、以下、海域を対象
とした例を用いて説明する。光の放射伝達現象を表す放
射伝達方程式は、水深をｚ、光の伝達方向（天頂角）を
θ、光の伝達方向（方位角）をφ、光の波長をλ、消散
係数をｃ、入射する放射輝度をＬ、散乱により生じる放
射輝度をＬE *、源泉関数をＳ、ｃｏｓθをμとすると、
以下の式（１）のようになる。
について説明する。なお、ここでは、以下、海域を対象
とした例を用いて説明する。光の放射伝達現象を表す放
射伝達方程式は、水深をｚ、光の伝達方向（天頂角）を
θ、光の伝達方向（方位角）をφ、光の波長をλ、消散
係数をｃ、入射する放射輝度をＬ、散乱により生じる放
射輝度をＬE *、源泉関数をＳ、ｃｏｓθをμとすると、
以下の式（１）のようになる。
【００１３】
【数１】
【００１４】通常、式（１）における一般解を解析的に
算出することは非常に困難であり、解を得るための様々
な数値的解法が提案されている。そこで本実施形態で
は、まず、水中における光の多流束モデルに基づく解法
を用いて、上記式（１）の放射伝達過程を近似化する。
この場合の多流束モデル、例えば四流束モデルの概念図
を図６に示す。この図６に示すように、水深ｚにおいて
微少区間ｄｚに下向きに入射する波長λの直達放射照度
をＥcd（ｚ，λ）、拡散放射照度をＥd（ｚ，λ）と
し、上向きに入射する直達放射照度をＥcu（ｚ，λ）、
拡散放射照度をＥu（ｚ，λ）とすれば、波長λの光の
放射伝達過程は、以下に示す式（２）〜（５）の連立微
分方程式により表される。
算出することは非常に困難であり、解を得るための様々
な数値的解法が提案されている。そこで本実施形態で
は、まず、水中における光の多流束モデルに基づく解法
を用いて、上記式（１）の放射伝達過程を近似化する。
この場合の多流束モデル、例えば四流束モデルの概念図
を図６に示す。この図６に示すように、水深ｚにおいて
微少区間ｄｚに下向きに入射する波長λの直達放射照度
をＥcd（ｚ，λ）、拡散放射照度をＥd（ｚ，λ）と
し、上向きに入射する直達放射照度をＥcu（ｚ，λ）、
拡散放射照度をＥu（ｚ，λ）とすれば、波長λの光の
放射伝達過程は、以下に示す式（２）〜（５）の連立微
分方程式により表される。
【００１５】
【数２】
【００１６】但し、ａ（ｚ，λ）は波長λの光に対する
海水の吸収係数、ｓ（ｚ，λ）は波長λの光に対する海
水の散乱係数、α（ｚ，λ）は波長λの光に対する前方
散乱確率、β（ｚ，λ）は波長λの光に対する後方散乱
確率、η（ｚ，λ）は波長λの光の直達放射照度と拡散
放射照度の比である。上向きの光の拡散放射照度Ｅ
u（ｚ，λ）は、上記式（２）〜（５）に示す連立微分
方程式を、海面と海底面との状態を境界条件として解く
ことにより得られるが、水深ｚの関数として解析的に算
出することは、非常に困難である。そこで本実施形態で
は、物質の鉛直濃度を一定と仮定することにより、拡散
放射輝度Ｅu（ｚ，λ）を求める。但し、水深に比べて
光の透過距離が十分短いものとし、海面からの反射光は
考慮しないものとする。この場合の拡散放射照度Ｅ
u（ｚ，λ）は、以下の式（６）〜（１０）で表され
る。
海水の吸収係数、ｓ（ｚ，λ）は波長λの光に対する海
水の散乱係数、α（ｚ，λ）は波長λの光に対する前方
散乱確率、β（ｚ，λ）は波長λの光に対する後方散乱
確率、η（ｚ，λ）は波長λの光の直達放射照度と拡散
放射照度の比である。上向きの光の拡散放射照度Ｅ
u（ｚ，λ）は、上記式（２）〜（５）に示す連立微分
方程式を、海面と海底面との状態を境界条件として解く
ことにより得られるが、水深ｚの関数として解析的に算
出することは、非常に困難である。そこで本実施形態で
は、物質の鉛直濃度を一定と仮定することにより、拡散
放射輝度Ｅu（ｚ，λ）を求める。但し、水深に比べて
光の透過距離が十分短いものとし、海面からの反射光は
考慮しないものとする。この場合の拡散放射照度Ｅ
u（ｚ，λ）は、以下の式（６）〜（１０）で表され
る。
【００１７】
【数３】
【００１８】但し、Ｅci（λ）は海面から入射する海面
直下の直達放射照度、Ｅi（λ）は海面から入射する海
面直下の拡散放射照度、ｒi（λ）は海面での海中拡散
光の反射率、ｂf（λ）は前方散乱係数、ｂb（λ）は後
方散乱係数である。また、海面直下の上向きの放射照度
Ｅuo−（λ）は、上記式（６）に、「ｚ＝０」を代入す
ることにより、以下に示す式（１１）で算出される。
直下の直達放射照度、Ｅi（λ）は海面から入射する海
面直下の拡散放射照度、ｒi（λ）は海面での海中拡散
光の反射率、ｂf（λ）は前方散乱係数、ｂb（λ）は後
方散乱係数である。また、海面直下の上向きの放射照度
Ｅuo−（λ）は、上記式（６）に、「ｚ＝０」を代入す
ることにより、以下に示す式（１１）で算出される。
【００１９】
【数４】
【００２０】一方、衛星リモートセンシングにおける衛
星画像センサは、バンド（チャネル）毎に決められた波
長帯の光を検出する。そのため、衛星では、海面から放
射される光の放射輝度（Ｌuo＋（θv，φv，λ））が、
バンド毎の検出波長帯積分値として観測される。即ち、
バンドｉで検出される波長帯の光における海面での放射
輝度Ｑi（ｓｅａ）は、以下の式（１２）で表される。
星画像センサは、バンド（チャネル）毎に決められた波
長帯の光を検出する。そのため、衛星では、海面から放
射される光の放射輝度（Ｌuo＋（θv，φv，λ））が、
バンド毎の検出波長帯積分値として観測される。即ち、
バンドｉで検出される波長帯の光における海面での放射
輝度Ｑi（ｓｅａ）は、以下の式（１２）で表される。
【００２１】
【数５】
【００２２】但し、λ1はバンドｉの検出波長の最小
値、λ2は、バンドｉの検出波長の最大値、θv，φvは
それぞれ光の伝達方向の天頂角の方位角と方位角であ
る。また、海面から放射される放射輝度（Ｌuo＋
（θv，φv，λ））は、以下に示す式（１３）により算
出される。
値、λ2は、バンドｉの検出波長の最大値、θv，φvは
それぞれ光の伝達方向の天頂角の方位角と方位角であ
る。また、海面から放射される放射輝度（Ｌuo＋
（θv，φv，λ））は、以下に示す式（１３）により算
出される。
【００２３】
【数６】
【００２４】但し、θsunは太陽の天頂角、Ｑは「Ｅuo
−（λ）／Ｌuo＋（０，φv，λ）」、Ｅsun（θsun，
λ）は海面直上での下向きの直達放射照度、Ｅ
sky（λ）は海面直上での下向きの拡散放射照度、Ｔ
surfは海中から大気中への透過率、ｆ1は放射輝度変換
を含む下向きの拡散放射照度が海面で反射する確率、ｆ
2は放射輝度変換を含む下向き直達放射照度が海面で反
射する確率である。海面から放射された光Ｑi（ｓｅ
ａ）は、大気による吸収及び散乱の影響を受けながら大
気中を進み、衛星に到達する。衛星では、太陽放射光に
おける大気での散乱だけを受けて衛星に到達する光成分
も検出するため、衛星で観測される放射輝度Ｑi（ｓａ
ｔ）は、海面での放射輝度Ｑi（ｓｅａ）のほかに、大
気や海面での吸収及び散乱によるノイズを含むものとな
る。そこで、このノイズによる影響を衛星で観測される
放射輝度Ｑi（ｓａｔ）から取り除くことによって得ら
れる海面からの放射輝度Ｑ’i（ｓａｔ）は、海面での
放射輝度Ｑi（ｓｅａ）と等価となり、バンド数をＮと
すれば、以下に示す式（１４）で表されるようになる。
−（λ）／Ｌuo＋（０，φv，λ）」、Ｅsun（θsun，
λ）は海面直上での下向きの直達放射照度、Ｅ
sky（λ）は海面直上での下向きの拡散放射照度、Ｔ
surfは海中から大気中への透過率、ｆ1は放射輝度変換
を含む下向きの拡散放射照度が海面で反射する確率、ｆ
2は放射輝度変換を含む下向き直達放射照度が海面で反
射する確率である。海面から放射された光Ｑi（ｓｅ
ａ）は、大気による吸収及び散乱の影響を受けながら大
気中を進み、衛星に到達する。衛星では、太陽放射光に
おける大気での散乱だけを受けて衛星に到達する光成分
も検出するため、衛星で観測される放射輝度Ｑi（ｓａ
ｔ）は、海面での放射輝度Ｑi（ｓｅａ）のほかに、大
気や海面での吸収及び散乱によるノイズを含むものとな
る。そこで、このノイズによる影響を衛星で観測される
放射輝度Ｑi（ｓａｔ）から取り除くことによって得ら
れる海面からの放射輝度Ｑ’i（ｓａｔ）は、海面での
放射輝度Ｑi（ｓｅａ）と等価となり、バンド数をＮと
すれば、以下に示す式（１４）で表されるようになる。
【００２５】
【数７】
【００２６】ところで、上記式（１）〜（１１）に示す
ように、海面直下の上向きの放射照度（Ｅuo−（λ））
は、波長λの光に対する海水の吸収係数ａ（ｚ，λ）、
及び波長λの光に対する海水の散乱係数ｓ（ｚ，λ）に
含まれる各物質の濃度要素ｍkに非線形に依存するもの
であり、上述の連立方程式群を、濃度要素ｍkに関して
解析的に解くことは困難である。そこで水中物質の濃度
の推定に際し、まず、衛星画像データからバンド毎に大
気や海面での吸収及び散乱の影響を取り除いた海面から
の放射輝度Ｑ’i（ｓａｔ）を算出する。この場合、上
記式（１２）の水面における光の上向き放射輝度Ｑ
i（ｓｅａ）を、「Ｑ’i（ｓａｔ）＝Ｑi（ｓｅａ）」
とする、すなわち衛星画像データによる算出値（第１光
放射量）と理論値（第２光放射量）とを等価にすること
により、吸収係数及び散乱係数に含まれる各水中物質の
濃度要素ｍkを逆推定することが可能となる。具体的に
は、以下の式（１５）で示される評価関数Ｐを定義する
とともに、当該評価関数を最小化することにより最適な
濃度要素ｍkを導出する。
ように、海面直下の上向きの放射照度（Ｅuo−（λ））
は、波長λの光に対する海水の吸収係数ａ（ｚ，λ）、
及び波長λの光に対する海水の散乱係数ｓ（ｚ，λ）に
含まれる各物質の濃度要素ｍkに非線形に依存するもの
であり、上述の連立方程式群を、濃度要素ｍkに関して
解析的に解くことは困難である。そこで水中物質の濃度
の推定に際し、まず、衛星画像データからバンド毎に大
気や海面での吸収及び散乱の影響を取り除いた海面から
の放射輝度Ｑ’i（ｓａｔ）を算出する。この場合、上
記式（１２）の水面における光の上向き放射輝度Ｑ
i（ｓｅａ）を、「Ｑ’i（ｓａｔ）＝Ｑi（ｓｅａ）」
とする、すなわち衛星画像データによる算出値（第１光
放射量）と理論値（第２光放射量）とを等価にすること
により、吸収係数及び散乱係数に含まれる各水中物質の
濃度要素ｍkを逆推定することが可能となる。具体的に
は、以下の式（１５）で示される評価関数Ｐを定義する
とともに、当該評価関数を最小化することにより最適な
濃度要素ｍkを導出する。
【００２７】
【数８】
【００２８】但し、Ｑ’i（ｓｅａ）は特定の試行値
ｍ’kに対する水面における光の上向き放射輝度Ｑi（ｓ
ｅａ）の値、σiはＱ’i（ｓａｔ）に含まれる誤差の標
準偏差である。この非線形最適化手法による上記式（１
５）に基づいて濃度要素ｍkの反復的な更新を行う。具
体的には、初期値として与えられた試行解から当該試行
解を改良していく過程を定義し、該過程の閾値と評価関
数Ｐの算出値とを比較して、評価関数Ｐが減少しなくな
るまで、つまり最小化するまでこの過程を繰り返す。こ
のような反復的な演算アルゴリズムにより最適な濃度要
素ｍkが導出され、正しい濃度の推定が可能となる。
ｍ’kに対する水面における光の上向き放射輝度Ｑi（ｓ
ｅａ）の値、σiはＱ’i（ｓａｔ）に含まれる誤差の標
準偏差である。この非線形最適化手法による上記式（１
５）に基づいて濃度要素ｍkの反復的な更新を行う。具
体的には、初期値として与えられた試行解から当該試行
解を改良していく過程を定義し、該過程の閾値と評価関
数Ｐの算出値とを比較して、評価関数Ｐが減少しなくな
るまで、つまり最小化するまでこの過程を繰り返す。こ
のような反復的な演算アルゴリズムにより最適な濃度要
素ｍkが導出され、正しい濃度の推定が可能となる。
【００２９】本発明では、以上のようにして、光の放射
伝達方程式を水中における光の多流束モデルを用いて近
似化し、上記式（１２）の水面における光の上向き放射
輝度Ｑi（ｓｅａ）について、画像データによる算出値
（第１光放射量）と理論値（第２光放射量）とを等価に
して、上記式（１５）のような濃度の評価関数、すなわ
ち濃度推定関数を作成する。そして、この濃度推定関数
に基づいて、吸収及び散乱係数に含まれる各水中物質の
濃度についての解、すなわち濃度の逆推定を行う。
伝達方程式を水中における光の多流束モデルを用いて近
似化し、上記式（１２）の水面における光の上向き放射
輝度Ｑi（ｓｅａ）について、画像データによる算出値
（第１光放射量）と理論値（第２光放射量）とを等価に
して、上記式（１５）のような濃度の評価関数、すなわ
ち濃度推定関数を作成する。そして、この濃度推定関数
に基づいて、吸収及び散乱係数に含まれる各水中物質の
濃度についての解、すなわち濃度の逆推定を行う。
【００３０】この逆推定のための演算は、解析が困難な
上記式（１）〜（５）と比較して解析が容易になるよう
に定式化されており、衛星画像データや大気状態等の撮
像環境情報を取り直した場合であっても迅速に最適解が
得られるため、撮像領域や撮像環境情報の変化にフレキ
シブルに対応することができ、トゥルースデータとの濃
度誤差を一定値以下に低減させることが可能となる。
上記式（１）〜（５）と比較して解析が容易になるよう
に定式化されており、衛星画像データや大気状態等の撮
像環境情報を取り直した場合であっても迅速に最適解が
得られるため、撮像領域や撮像環境情報の変化にフレキ
シブルに対応することができ、トゥルースデータとの濃
度誤差を一定値以下に低減させることが可能となる。
【００３１】
【実施例】次に、本発明を適用した濃度推定装置の実施
例を説明する。図１は、本発明の濃度推定装置が具備す
る機能ブロック構成図である。図中、実線は処理の流
れ、破線はデータの流れを表す。この濃度推定装置１
は、オペレーティングシステム（ＯＳ）を搭載したコン
ピュータ装置によって実現される。すなわち、当該コン
ピュータ装置が所定のプログラムを読み込んで実行する
ことにより形成される、画像データ取得部１１、撮像環
境情報取得部１２、水中物質光学特性情報取得部１３、
データ変換処理部１４、水面上向き放射量算出部（１）
１５、水面下向き放射量算出部１６、水面上向き放射量
算出部（２）１７、及び水中物質濃度推定部１８を備え
て濃度推定装置１を構成している。
例を説明する。図１は、本発明の濃度推定装置が具備す
る機能ブロック構成図である。図中、実線は処理の流
れ、破線はデータの流れを表す。この濃度推定装置１
は、オペレーティングシステム（ＯＳ）を搭載したコン
ピュータ装置によって実現される。すなわち、当該コン
ピュータ装置が所定のプログラムを読み込んで実行する
ことにより形成される、画像データ取得部１１、撮像環
境情報取得部１２、水中物質光学特性情報取得部１３、
データ変換処理部１４、水面上向き放射量算出部（１）
１５、水面下向き放射量算出部１６、水面上向き放射量
算出部（２）１７、及び水中物質濃度推定部１８を備え
て濃度推定装置１を構成している。
【００３２】上記プログラムは、コンピュータ装置の内
部または外部記憶装置に格納されて随時読み取られて実
行されるようになっており、当該コンピュータ装置上に
おいて上記各機能ブロック１１〜１８を形成可能な形態
で記録されたものである。但し、使用時にコンピュータ
装置上で各機能ブロック１１〜１８が形成されれば本発
明を実施することができるので、例えばインストール前
は、コンピュータ装置と分離可能なＣＤ−ＲＯＭ（コン
パクトディスク型ＲＯＭ）やＦＤ（フレキシブルディス
ク）等の可搬性記録媒体、或いは構内ネットワークに接
続されたプログラムサーバ等に記録されているものであ
ってもよい。
部または外部記憶装置に格納されて随時読み取られて実
行されるようになっており、当該コンピュータ装置上に
おいて上記各機能ブロック１１〜１８を形成可能な形態
で記録されたものである。但し、使用時にコンピュータ
装置上で各機能ブロック１１〜１８が形成されれば本発
明を実施することができるので、例えばインストール前
は、コンピュータ装置と分離可能なＣＤ−ＲＯＭ（コン
パクトディスク型ＲＯＭ）やＦＤ（フレキシブルディス
ク）等の可搬性記録媒体、或いは構内ネットワークに接
続されたプログラムサーバ等に記録されているものであ
ってもよい。
【００３３】画像データ取得部１１は、図示しない画像
データ入力用インタフェースを介して入力される、水中
物質の濃度の推定対象となる特定水域の衛星画像データ
を読み込んでデータ変換処理部１４へ送出するものであ
る。上記画像データ入力用インタフェースは、例えば、
パラボラアンテナを含む受信装置のように、人工衛星か
らの衛星画像データを入力する手段であるが、予め人工
衛星から取り込んだ衛星画像データを保持する外部記憶
装置等を用いても良い。
データ入力用インタフェースを介して入力される、水中
物質の濃度の推定対象となる特定水域の衛星画像データ
を読み込んでデータ変換処理部１４へ送出するものであ
る。上記画像データ入力用インタフェースは、例えば、
パラボラアンテナを含む受信装置のように、人工衛星か
らの衛星画像データを入力する手段であるが、予め人工
衛星から取り込んだ衛星画像データを保持する外部記憶
装置等を用いても良い。
【００３４】衛星画像データは、リモートセンシングに
よる撮像の際に、緑バンド、赤バンド、近赤外バンド、
赤外バンド、熱赤外バンド等を含む光の観測波長帯域毎
に分割して観測された複数の画像データである。撮像環
境情報取得部１２は、撮像環境情報入力用インタフェー
スを介して入力される撮像環境情報を読み込んで水面上
向き放射量算出部（１）１５及び水面下向き放射量算出
部１６に送出するものである。この撮像環境情報は、画
像データの解像度、図示しない画像センサによる検出波
長、大気状態、太陽位置等を含む、画像データ撮像時の
環境に関する観測情報である。また、上記撮像環境情報
入力用インタフェースは、例えば、撮像環境情報を予め
保持した外部記憶装置あるいは当該情報を個別的に入力
するためのキーボード等である。
よる撮像の際に、緑バンド、赤バンド、近赤外バンド、
赤外バンド、熱赤外バンド等を含む光の観測波長帯域毎
に分割して観測された複数の画像データである。撮像環
境情報取得部１２は、撮像環境情報入力用インタフェー
スを介して入力される撮像環境情報を読み込んで水面上
向き放射量算出部（１）１５及び水面下向き放射量算出
部１６に送出するものである。この撮像環境情報は、画
像データの解像度、図示しない画像センサによる検出波
長、大気状態、太陽位置等を含む、画像データ撮像時の
環境に関する観測情報である。また、上記撮像環境情報
入力用インタフェースは、例えば、撮像環境情報を予め
保持した外部記憶装置あるいは当該情報を個別的に入力
するためのキーボード等である。
【００３５】水中物質光学特性情報取得部１３は、入力
用インタフェースを介して入力される水中物質の光学特
性情報を読み込んで水中物質濃度算出部１７へ送出する
ものである。光学特性情報は、具体的には、水中に存在
する溶存物質や懸濁物質の光に対する粒子レベルのミク
ロな反射特性及び吸収特性を含む情報である。また、水
中物質光学特性情報入力用インタフェースは、例えば、
水中物質群の光学特性情報を予めデータベースの形態で
保持した外部記憶装置あるいは当該情報を個別的に入力
するためのキーボード等を用いて適宜構成される。
用インタフェースを介して入力される水中物質の光学特
性情報を読み込んで水中物質濃度算出部１７へ送出する
ものである。光学特性情報は、具体的には、水中に存在
する溶存物質や懸濁物質の光に対する粒子レベルのミク
ロな反射特性及び吸収特性を含む情報である。また、水
中物質光学特性情報入力用インタフェースは、例えば、
水中物質群の光学特性情報を予めデータベースの形態で
保持した外部記憶装置あるいは当該情報を個別的に入力
するためのキーボード等を用いて適宜構成される。
【００３６】データ変換処理部１４は、衛星画像データ
を画素毎の輝度値に変換するとともに、各輝度値を図示
しない記憶手段に格納されている所定の換算式により衛
星画像データ毎の放射輝度データに変換するものであ
る。この換算式は、個々の衛星画像データにおける光の
波長帯域の種類に応じて定まるものであり、例えば、Ｎ
ＡＳＡ（米国航空宇宙局）等が提案している公知の換算
式を用いることができる。変換された放射輝度データ
は、水面上向き放射量算出部（１）１５に入力される。
を画素毎の輝度値に変換するとともに、各輝度値を図示
しない記憶手段に格納されている所定の換算式により衛
星画像データ毎の放射輝度データに変換するものであ
る。この換算式は、個々の衛星画像データにおける光の
波長帯域の種類に応じて定まるものであり、例えば、Ｎ
ＡＳＡ（米国航空宇宙局）等が提案している公知の換算
式を用いることができる。変換された放射輝度データ
は、水面上向き放射量算出部（１）１５に入力される。
【００３７】水面上向き放射量算出部（１）１５は、衛
星画像データにおける放射輝度データ及び撮像環境情報
に基づいて、特定水域の水面から実際に放射されてい
る、光の観測波長帯域毎の放射量（以下、便宜上、「観
測放射量」と称する）を算出するものである。ここで
は、水面から上向きに放射されている光の放射輝度（以
下、「上向き放射輝度」）を算出する。この上向き放射
輝度は、例えば、光子に関する公知のモンテカルロ・シ
ュミレーションモデルを用いて算出することができる。
この算出値は、水中物質濃度推定部１８に入力されるよ
うになっている。
星画像データにおける放射輝度データ及び撮像環境情報
に基づいて、特定水域の水面から実際に放射されてい
る、光の観測波長帯域毎の放射量（以下、便宜上、「観
測放射量」と称する）を算出するものである。ここで
は、水面から上向きに放射されている光の放射輝度（以
下、「上向き放射輝度」）を算出する。この上向き放射
輝度は、例えば、光子に関する公知のモンテカルロ・シ
ュミレーションモデルを用いて算出することができる。
この算出値は、水中物質濃度推定部１８に入力されるよ
うになっている。
【００３８】水面下向き放射量算出部１６は、撮像環境
情報取得部１２における撮像環境情報に基づいて、水面
に入射する下向きの光の波長帯域毎の放射量（以下、
「水面下向き放射輝度」）、すなわち、水面直上での下
向き太陽直達光及び拡散光の強さを算出するものであ
る。この水面下向き放射輝度は、例えば、上述の光子に
関する所定のモンテカルロ・シュミレーションモデルを
用いて算出することができる。この算出値は、水面上向
き放射量算出部（２）１７に入力されるようになってい
る。
情報取得部１２における撮像環境情報に基づいて、水面
に入射する下向きの光の波長帯域毎の放射量（以下、
「水面下向き放射輝度」）、すなわち、水面直上での下
向き太陽直達光及び拡散光の強さを算出するものであ
る。この水面下向き放射輝度は、例えば、上述の光子に
関する所定のモンテカルロ・シュミレーションモデルを
用いて算出することができる。この算出値は、水面上向
き放射量算出部（２）１７に入力されるようになってい
る。
【００３９】水面上向き放射量算出部（２）１７は、水
面下向き放射輝度と水中物質群の光学特性情報とに基づ
いて、特定水域の水面から上向きに放射される、光の観
測波長帯域毎の理論上の放射量（以下、便宜上、「理論
放射量」と称する）を算出するものである。具体的に
は、光の放射伝達現象を、水中における光の多流束モデ
ルに基づいて定式化し、上記式（１２）のような、上向
きの放射輝度算出式から放射輝度を算出するように構成
される。
面下向き放射輝度と水中物質群の光学特性情報とに基づ
いて、特定水域の水面から上向きに放射される、光の観
測波長帯域毎の理論上の放射量（以下、便宜上、「理論
放射量」と称する）を算出するものである。具体的に
は、光の放射伝達現象を、水中における光の多流束モデ
ルに基づいて定式化し、上記式（１２）のような、上向
きの放射輝度算出式から放射輝度を算出するように構成
される。
【００４０】なお、水面上向き放射量算出部（１）１
５、水面上向き放射量算出部（２）１７、水面下向き放
射量算出部１６における各放射量の算出に関する技術に
ついては、例えば、「画像解析ハンドブック、高木幹雄
他 著、東京大学出版会」等に紹介されている。
５、水面上向き放射量算出部（２）１７、水面下向き放
射量算出部１６における各放射量の算出に関する技術に
ついては、例えば、「画像解析ハンドブック、高木幹雄
他 著、東京大学出版会」等に紹介されている。
【００４１】水中物質濃度推定部１８は、上述のように
して算出された観測放射量と理論放射量とに基づいて、
水中に存在する物質の濃度を推定するものである。実際
には、上記式（１５）のような濃度の評価関数Ｐを作成
し、この評価関数Ｐを最小化（最適化）させることで、
吸収及び散乱係数に含まれる各水中物質の濃度ｍkの逆
推定を行う。この逆推定は、例えば、非線形最小２乗問
題の標準的解法である、Levenberg-Marquardt法を適用
することによって実現が可能である。推定された濃度結
果は、図示しない出力用インタフェースを介して適宜出
力される。この出力用インタフェースは、例えば、ＣＲ
Ｔ表示装置やプリンタのような可視化手段、あるいは外
部記憶装置等を用いて構成される。
して算出された観測放射量と理論放射量とに基づいて、
水中に存在する物質の濃度を推定するものである。実際
には、上記式（１５）のような濃度の評価関数Ｐを作成
し、この評価関数Ｐを最小化（最適化）させることで、
吸収及び散乱係数に含まれる各水中物質の濃度ｍkの逆
推定を行う。この逆推定は、例えば、非線形最小２乗問
題の標準的解法である、Levenberg-Marquardt法を適用
することによって実現が可能である。推定された濃度結
果は、図示しない出力用インタフェースを介して適宜出
力される。この出力用インタフェースは、例えば、ＣＲ
Ｔ表示装置やプリンタのような可視化手段、あるいは外
部記憶装置等を用いて構成される。
【００４２】次に、上記濃度推定装置１を用いて、特定
水域における水中物質の濃度を推定する場合の手順につ
いて、図２〜５を参照して説明する。
水域における水中物質の濃度を推定する場合の手順につ
いて、図２〜５を参照して説明する。
【００４３】まず、図２を参照して全体的な手順概要を
説明する。濃度推定装置１では、画像データ取得部１１
から特定水域における複数の衛星画像データ、撮像環境
情報取得部１２から当該衛星画像データの撮像時におけ
る撮像環境情報、水中物質光学特性取得部１３から水中
物質光学特性情報を、それぞれ対応する入力用インタフ
ェースを介して取得する（ステップＳ１０１）。取得し
た各画像データは、データ変換処理部１４により、画素
毎の輝度値に変換され、さらに、所定の換算式を用いて
各々放射輝度データに変換される（ステップＳ１０
２）。水面上向き放射量算出部１５では、放射輝度デー
タ及び撮像環境情報に基づいて、光の観測放射量を算出
する（ステップＳ１０３）。また、水面下向き放射量算
出部１６で、撮像環境情報に基づく水面下向き放射輝度
を算出するとともに、水面上向き放射量算出部（２）１
７で、当該水面下向き放射輝度と水中物質光学特性情報
と基づく光の理論放射量を算出する（ステップＳ１０
４）。その後、上記理論放射量と観測放射量とに基づい
て水中物質濃度推定部１８で、水中物質の濃度を推定す
る（ステップＳ１０５）。
説明する。濃度推定装置１では、画像データ取得部１１
から特定水域における複数の衛星画像データ、撮像環境
情報取得部１２から当該衛星画像データの撮像時におけ
る撮像環境情報、水中物質光学特性取得部１３から水中
物質光学特性情報を、それぞれ対応する入力用インタフ
ェースを介して取得する（ステップＳ１０１）。取得し
た各画像データは、データ変換処理部１４により、画素
毎の輝度値に変換され、さらに、所定の換算式を用いて
各々放射輝度データに変換される（ステップＳ１０
２）。水面上向き放射量算出部１５では、放射輝度デー
タ及び撮像環境情報に基づいて、光の観測放射量を算出
する（ステップＳ１０３）。また、水面下向き放射量算
出部１６で、撮像環境情報に基づく水面下向き放射輝度
を算出するとともに、水面上向き放射量算出部（２）１
７で、当該水面下向き放射輝度と水中物質光学特性情報
と基づく光の理論放射量を算出する（ステップＳ１０
４）。その後、上記理論放射量と観測放射量とに基づい
て水中物質濃度推定部１８で、水中物質の濃度を推定す
る（ステップＳ１０５）。
【００４４】上記ステップＳ１０３の放射量及びステッ
プＳ１０４で用いる下向き放射輝度は、モンテカルロ・
シュミレーションモデルに基づいて算出することができ
る。以下、この場合の手法を、図３及び４を参照して詳
しく説明する。
プＳ１０４で用いる下向き放射輝度は、モンテカルロ・
シュミレーションモデルに基づいて算出することができ
る。以下、この場合の手法を、図３及び４を参照して詳
しく説明する。
【００４５】撮像環境情報取得部１２は、撮像環境情報
入力用インタフェースを介して撮像環境情報を取得する
（ステップＳ２０１）。水面下向き放射量算出部１６
は、取得した撮像環境情報に基づいて光の一次反射位置
を決定する（ステップＳ２０２）。次に、水面下向き放
射量算出部１６は、撮像環境情報における太陽入射角に
従って、また、水面上向き放射量算出部（１）１５の場
合は任意の方向へ光子を入射する（ステップＳ２０
３）。この光子は、所定の乱数発生アルゴリズムに基づ
いて発生されるものである。
入力用インタフェースを介して撮像環境情報を取得する
（ステップＳ２０１）。水面下向き放射量算出部１６
は、取得した撮像環境情報に基づいて光の一次反射位置
を決定する（ステップＳ２０２）。次に、水面下向き放
射量算出部１６は、撮像環境情報における太陽入射角に
従って、また、水面上向き放射量算出部（１）１５の場
合は任意の方向へ光子を入射する（ステップＳ２０
３）。この光子は、所定の乱数発生アルゴリズムに基づ
いて発生されるものである。
【００４６】入射された光子数が予め設定された数以下
の場合には（ステップＳ２０４：No）、該光子数に基づ
いて自由行程距離を算出するとともに（ステップＳ２０
５）、当該自由行程距離から、光子の終点座標を決定す
る（ステップＳ２０６）。決定された終点座標が大気上
面ならば、光子数をカウントしてステップＳ２０３に戻
り（ステップＳ２０７：大気上面、Ｓ２０８）、光子を
入射する。また、終点座標が水面以下ならば、光子数を
カウントしてステップＳ２０３に戻り、光子を入射する
（ステップＳ２０７：水面、Ｓ２０８）。
の場合には（ステップＳ２０４：No）、該光子数に基づ
いて自由行程距離を算出するとともに（ステップＳ２０
５）、当該自由行程距離から、光子の終点座標を決定す
る（ステップＳ２０６）。決定された終点座標が大気上
面ならば、光子数をカウントしてステップＳ２０３に戻
り（ステップＳ２０７：大気上面、Ｓ２０８）、光子を
入射する。また、終点座標が水面以下ならば、光子数を
カウントしてステップＳ２０３に戻り、光子を入射する
（ステップＳ２０７：水面、Ｓ２０８）。
【００４７】一方、終点座標位置が大気中ならば（ステ
ップＳ２０７：大気中）、大気状態を判定する。大気状
態が吸収ならば（ステップＳ２０９：吸収）、ステップ
Ｓ２０３に戻り、光子を入射するとともに、大気状態が
散乱ならば（ステップＳ２０９：散乱）、散乱角を算出
して（ステップＳ２１０）ステップＳ２０３に戻り、光
子を入射する。ステップＳ２０４において、光子数が予
め設定された数以上ならば（ステップＳ２０４：Ye
s）、図４に移り、発生光子数及びカウント光子数から
光子数の割合、すなわち光子の到達確率を算出する（ス
テップＳ２１１）。
ップＳ２０７：大気中）、大気状態を判定する。大気状
態が吸収ならば（ステップＳ２０９：吸収）、ステップ
Ｓ２０３に戻り、光子を入射するとともに、大気状態が
散乱ならば（ステップＳ２０９：散乱）、散乱角を算出
して（ステップＳ２１０）ステップＳ２０３に戻り、光
子を入射する。ステップＳ２０４において、光子数が予
め設定された数以上ならば（ステップＳ２０４：Ye
s）、図４に移り、発生光子数及びカウント光子数から
光子数の割合、すなわち光子の到達確率を算出する（ス
テップＳ２１１）。
【００４８】次に、水面下向き放射量算出部１６では、
ステップＳ２０１で取得された撮像環境情報における太
陽放射照度に基づいて、拡散放射照度及び直達放射照度
を算出する（ステップＳ２１２：下向き、Ｓ２１３）。
ステップＳ２０１で取得された撮像環境情報における太
陽放射照度に基づいて、拡散放射照度及び直達放射照度
を算出する（ステップＳ２１２：下向き、Ｓ２１３）。
【００４９】一方、水面上向き放射量算出部（１）１５
では、画像データ入力用インタフェースを介して画像デ
ータ取得部１１により衛星画像データを取得する（（ス
テップＳ２１２：上向き、Ｓ２１４）。そして、データ
変換処理部１４で変換された光の観測波長帯域毎の衛星
画像データに関する放射輝度データに基づいて、水面上
向き放射輝度Ｑ’ｉ（ｓａｔ）、すなわち光の観測放射
量を算出する（ステップＳ２１５）。
では、画像データ入力用インタフェースを介して画像デ
ータ取得部１１により衛星画像データを取得する（（ス
テップＳ２１２：上向き、Ｓ２１４）。そして、データ
変換処理部１４で変換された光の観測波長帯域毎の衛星
画像データに関する放射輝度データに基づいて、水面上
向き放射輝度Ｑ’ｉ（ｓａｔ）、すなわち光の観測放射
量を算出する（ステップＳ２１５）。
【００５０】次に、上記濃度推定装置１を用いた水中物
質の濃度推定方法を、図５を参照して説明する。濃度推
定装置１は、まず、水面上向き放射量算出部（２）１７
において、水面下向き放射量算出部１６により海面直上
での下向き太陽直達光の放射照度Ｅsun及び拡散光の放
射照度Ｅskyとを取得する（ステップＳ３０１〜３０
２）。また、水中物質光学特性情報取得部１３におい
て、水中物質光学特性情報入力用インタフェースを介し
て水中物質の光学特性情報を取得する（ステップＳ３０
３）。
質の濃度推定方法を、図５を参照して説明する。濃度推
定装置１は、まず、水面上向き放射量算出部（２）１７
において、水面下向き放射量算出部１６により海面直上
での下向き太陽直達光の放射照度Ｅsun及び拡散光の放
射照度Ｅskyとを取得する（ステップＳ３０１〜３０
２）。また、水中物質光学特性情報取得部１３におい
て、水中物質光学特性情報入力用インタフェースを介し
て水中物質の光学特性情報を取得する（ステップＳ３０
３）。
【００５１】水面上向き放射量算出部（２）１７では、
また、導出すべき水中物質の濃度に対する初期値を設定
するとともに（ステップＳ３０４）、取得した上記太陽
直達光の放射照度Ｅsun、拡散光の放射照度Ｅsky、水中
物質の光学特性情報、及び設定された水中物質の濃度初
期値に基づいて、水面上向き放射輝度Ｑ’ｉ（ｓｅ
ａ）、すなわち光の理論放射量を算出する（ステップＳ
３０５）。
また、導出すべき水中物質の濃度に対する初期値を設定
するとともに（ステップＳ３０４）、取得した上記太陽
直達光の放射照度Ｅsun、拡散光の放射照度Ｅsky、水中
物質の光学特性情報、及び設定された水中物質の濃度初
期値に基づいて、水面上向き放射輝度Ｑ’ｉ（ｓｅ
ａ）、すなわち光の理論放射量を算出する（ステップＳ
３０５）。
【００５２】水中物質濃度推定部１８では、上記ステッ
プＳ３０５により算出された光の理論放射量Ｑ’ｉ（ｓ
ｅａ）と衛星画像データにおける観測放射量Ｑ’ｉ（ｓ
ａｔ）との差分に基づいた評価値Ｐを算出する（ステッ
プＳ３０６）。この評価値は、例えば非線形最小２乗問
題に即した上述の濃度推定関数に基づいて算出されるも
のである。そして、算出された評価値Ｐが最小となるま
で濃度を更新する（ステップＳ３０７：No〜３０８）。
さらに、ステップＳ３０５に戻って、光の理論放射量
Ｑ’ｉ（ｓｅａ）を算出して処理を繰り返す。このステ
ップＳ３０５〜３０８での処理により、光の理論放射量
における吸収係数及び散乱係数に含まれる水中物質の最
適な濃度要素が導出される。なお、本処理手順図では、
処理順序を便宜的に設定して説明したものであり、実際
の処理では、例えば、ステップＳ３０１〜３０４は、並
列的に行われる。
プＳ３０５により算出された光の理論放射量Ｑ’ｉ（ｓ
ｅａ）と衛星画像データにおける観測放射量Ｑ’ｉ（ｓ
ａｔ）との差分に基づいた評価値Ｐを算出する（ステッ
プＳ３０６）。この評価値は、例えば非線形最小２乗問
題に即した上述の濃度推定関数に基づいて算出されるも
のである。そして、算出された評価値Ｐが最小となるま
で濃度を更新する（ステップＳ３０７：No〜３０８）。
さらに、ステップＳ３０５に戻って、光の理論放射量
Ｑ’ｉ（ｓｅａ）を算出して処理を繰り返す。このステ
ップＳ３０５〜３０８での処理により、光の理論放射量
における吸収係数及び散乱係数に含まれる水中物質の最
適な濃度要素が導出される。なお、本処理手順図では、
処理順序を便宜的に設定して説明したものであり、実際
の処理では、例えば、ステップＳ３０１〜３０４は、並
列的に行われる。
【００５３】このように、本実施例の濃度推定装置１で
は、簡易な手法によって最適な濃度が導出されるので、
経験的な回帰関係式や統計的手法に即した従来手法と比
較して、水域毎に膨大なトゥルースデータを再度取得す
ることなく、推定対象となる水域全体における水中物質
の濃度推定精度を一定値以上維持することが可能とな
る。
は、簡易な手法によって最適な濃度が導出されるので、
経験的な回帰関係式や統計的手法に即した従来手法と比
較して、水域毎に膨大なトゥルースデータを再度取得す
ることなく、推定対象となる水域全体における水中物質
の濃度推定精度を一定値以上維持することが可能とな
る。
【００５４】また、例えば時空間的変動が大きく且つ複
数の汚染物質が混在するような沿岸域を濃度推定特定水
域とする場合であっても、上述の濃度推定関数を用いる
ことにより、複数の水中物質の濃度を同時且つ高精度に
推定することが可能となる。
数の汚染物質が混在するような沿岸域を濃度推定特定水
域とする場合であっても、上述の濃度推定関数を用いる
ことにより、複数の水中物質の濃度を同時且つ高精度に
推定することが可能となる。
【００５５】また、特定水域毎の解析精度がバラつくこ
となく、濃度の推定精度を一定値以上維持することが可
能となり、水域全体に対するロバスト性が向上する。こ
のことから、従来手法と比較してトゥルースデータの収
集時間が短縮され、迅速な濃度推定が可能となるととも
に、トゥルースデータと濃度推定値との濃度誤差を低減
させることが可能になる。従って、撮影水域や撮影時の
大気状態が頻繁に変化する場合であっても、濃度推定値
を迅速に算出できるようになり、現地観測データに対す
る濃度誤差を一定値以下に維持することができる。
となく、濃度の推定精度を一定値以上維持することが可
能となり、水域全体に対するロバスト性が向上する。こ
のことから、従来手法と比較してトゥルースデータの収
集時間が短縮され、迅速な濃度推定が可能となるととも
に、トゥルースデータと濃度推定値との濃度誤差を低減
させることが可能になる。従って、撮影水域や撮影時の
大気状態が頻繁に変化する場合であっても、濃度推定値
を迅速に算出できるようになり、現地観測データに対す
る濃度誤差を一定値以下に維持することができる。
【００５６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、衛星画像データに係る撮像領域や撮像環境が
変化した場合であっても、当該特定水域における濃度の
推定精度を一定以上に維持することが可能となる。従っ
て、光学理論的な枠組みに基づいた合理的且つ汎用性の
高い水中物質の濃度推定が容易に実現可能となる特有の
効果がある。
によれば、衛星画像データに係る撮像領域や撮像環境が
変化した場合であっても、当該特定水域における濃度の
推定精度を一定以上に維持することが可能となる。従っ
て、光学理論的な枠組みに基づいた合理的且つ汎用性の
高い水中物質の濃度推定が容易に実現可能となる特有の
効果がある。
【図１】本発明の一実施例に係る濃度推定装置の機能ブ
ロック図。
ロック図。
【図２】濃度推定装置における処理概要を表す処理手順
図。
図。
【図３】濃度推定装置における放射量の算出に関する処
理手順図。
理手順図。
【図４】濃度推定装置における放射量の算出に関する処
理手順図。
理手順図。
【図５】濃度推定装置における濃度の算出及び推定に関
する処理手順図。
する処理手順図。
【図６】水中における光の四流束モデルを表す概念図。
１ 濃度推定装置 １１ 画像データ取得部 １２ 撮像環境情報取得部 １３ 水中物質光学特性情報取得部 １４ データ変換処理部 １５ 水面上向き放射量算出部（１） １６ 水面下向き放射量算出部 １７ 水面上向き放射量算出部（２） １８ 水中物質濃度推定部
フロントページの続き (72)発明者 灘岡 和夫 東京都目黒区大岡山２丁目12番１号 東 京工業大学内 (56)参考文献 特開 平６−300845（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−29329（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−505922（ＪＰ，Ａ) 宮崎早苗 等，海岸工学論文集，1996 年，43（２），ｐ．1261−1265 宮崎早苗 等，海岸工学論文集，1997 年，44（２），ｐ．1271−1275 宮崎早苗 等，海岸工学論文集，1998 年，45（２），ｐ．1276−1280 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 15/06 G01N 21/27 G01N 33/18 G01V 9/04
Claims (11)
- 【請求項１】 特定水域をその上空から複数の波長帯域
で撮影して得たマルチスペクトル画像データと撮影時の
環境情報とを取得して前記特定水域における水中物質の
濃度を導出する装置における濃度推定方法であって、 前記マルチスペクトル画像データから前記特定水域にお
ける第１光放射量を導出するとともに、前記環境情報及
び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特定水域に
おける第２光放射量を導出し、導出した前記第１光放射
量および第２光放射量に基づいて光学特性が表す水中物
質の濃度を推定する処理を、 前記装置上で実行することを特徴とする、水中物質の濃
度推定方法。 - 【請求項２】 特定水域をその上空から複数の波長帯域
で撮影して得たマルチスペクトル画像データと撮影時の
環境情報とを取得して前記特定水域における水中物質の
濃度を導出する装置における濃度推定方法であって、 前記マルチスペクトル画像データから前記特定水域にお
ける第１光放射量を導出するとともに、前記環境情報及
び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特定水域に
おける第２光放射量を導出する処理と、 光の放射伝達方程式を水中における光の多流束モデルを
用いて近似化することにより前記第１光放射量及び前記
第２光放射量を要素に含む濃度推定関数を作成し、この
濃度推定関数に前記導出した第１光放射量及び前記第２
光放射量を適用して前記水中物質の濃度を推定する処理
と、 を前記装置上で実行することを特徴とする、水中物質の
濃度推定方法。 - 【請求項３】 前記濃度推定関数は、前記第１光放射量
及び第２光放射量が前記水中物質の濃度に非線形に依存
する形態のものであることを特徴とする、 請求項１または２記載の濃度推定方法。 - 【請求項４】 前記光学特性情報は、前記水中物質の光
に対する粒子レベルの反射特性及び吸収特性を含む情報
であることを特徴とする、 請求項１ないし３のいずれかの項記載の濃度推定方法。 - 【請求項５】 特定水域をその上空から複数の波長帯域
で撮影して得たマルチスペクトル画像データ及び撮影時
の環境情報を取得する取得手段と、 取得した前記マルチスペクトル画像データを放射輝度デ
ータに換算するとともに、換算された放射輝度データに
基づいて前記特定水域における第１光放射量を導出する
第１光放射量導出手段と、 前記環境情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から
前記特定水域における第２光放射量を導出する第２光放
射量導出手段と、 光の放射伝達方程式を水中における光の多流束モデルを
用いて近似化することにより前記第１光放射量及び前記
第２光放射量を要素に含む濃度推定関数を作成し、この
濃度推定関数に前記導出した観測放射量及び理論放射量
を適用して前記濃度を推定する濃度推定手段と、 を備えたことを特徴とする、水中物質の濃度推定装置。 - 【請求項６】 前記第２光放射量導出手段は、前記環境
情報から前記特定水域の水面に入射する光の下向き放射
量を算出するとともに、前記算出した下向き放射量及び
既定の水中物質群の光学特性情報に基づいて前記特定水
域の水面から放射される光の放射量を算出し、これらの
算出結果に基づいて前記第２光放射量を導出することを
特徴とする、 請求項５記載の濃度推定装置。 - 【請求項７】 前記第２光放射量導出手段は、前記特定
水域の水面から放射される、前記波長帯域毎の最大波長
及び最小波長の放射輝度の積分値を算出し、この積分値
に基づいて前記第２光放射量を導出することを特徴とす
る、 請求項５記載の濃度推定装置。 - 【請求項８】 前記第１光放射量導出手段及び前記第２
光放射量導出手段が、光子に関する所定のモンテカルロ
・シミュレーションモデルに基づいて構成されているこ
とを特徴とする、 請求項５乃至７のいずれかの項記載の濃度推定装置。 - 【請求項９】 前記濃度推定手段は、前記第１光放射量
及び第２光放射量が水中物質の濃度に対して非線形に依
存する、所定の非線形最小２乗問題に基づいて前記濃度
推定関数を作成し、前記第２光放射量における吸収係数
及び散乱係数に含まれる水中物質の濃度要素を前記濃度
推定関数に適用して濃度を推定するとともに、この推定
結果に即して前記濃度要素を更新するように構成されて
いることを特徴とする、 請求項５記載の濃度推定装置。 - 【請求項１０】 前記濃度推定手段は、前記第２光放射
量と前記第１放射量との差分に基づく評価値が最小にな
るまで前記濃度要素を反復的に更新することを特徴とす
る、 請求項８記載の濃度推定装置。 - 【請求項１１】 特定水域をその上空から複数の波長帯
域で撮影して得たマルチスペクトル画像データと撮影時
の環境情報とを取得する機能を有するコンピュータ装置
に読み取られたときに、前記コンピュータ装置に少なく
とも下記の処理を実行させるためのプログラムが記録さ
れた記録媒体。 （１）前記マルチスペクトル画像データから前記特定水
域における第１光放射量を導出するとともに、前記環境
情報及び既定の水中物質群の光学特性情報から前記特定
水域における第２光放射量を導出する処理、（２）光の
放射伝達方程式を水中における光の多流束モデルを用い
て近似化することにより前記観測放射量及び前記理論放
射量を要素に含む濃度推定関数を作成し、前記導出した
観測放射量及び前記理論放射量を前記作成した濃度推定
関数に適用して前記水中物質の濃度を推定する処理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30404098A JP3348834B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 水中物質の濃度推定方法及び装置、記録媒体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30404098A JP3348834B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 水中物質の濃度推定方法及び装置、記録媒体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000131218A JP2000131218A (ja) | 2000-05-12 |
| JP3348834B2 true JP3348834B2 (ja) | 2002-11-20 |
Family
ID=17928337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30404098A Expired - Lifetime JP3348834B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 水中物質の濃度推定方法及び装置、記録媒体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3348834B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4719915B2 (ja) * | 2006-02-22 | 2011-07-06 | 独立行政法人農業環境技術研究所 | 陸水中の土壌由来懸濁物濃度の推定方法 |
| JP5137893B2 (ja) * | 2009-04-14 | 2013-02-06 | 三菱電機株式会社 | 画像処理装置 |
| CN105203466B (zh) * | 2015-09-17 | 2018-11-02 | 中国科学院南京地理与湖泊研究所 | 一种富营养化湖泊非藻华条件下藻类总存量遥感估算方法 |
| CN105300862B (zh) * | 2015-11-13 | 2018-08-28 | 金陵科技学院 | 基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法及系统 |
| CN110108609B (zh) * | 2019-05-07 | 2021-11-02 | 国网湖南省电力有限公司 | 一种基于卫星多通道的pm2.5浓度值分布情况获取方法及系统 |
| CN112378828B (zh) * | 2020-12-11 | 2021-09-17 | 中科三清科技有限公司 | 基于卫星遥感数据反演大气细颗粒物浓度的方法及装置 |
-
1998
- 1998-10-26 JP JP30404098A patent/JP3348834B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 宮崎早苗 等，海岸工学論文集，１９９６年，４３（２），ｐ．１２６１−１２６５ |
| 宮崎早苗 等，海岸工学論文集，１９９７年，４４（２），ｐ．１２７１−１２７５ |
| 宮崎早苗 等，海岸工学論文集，１９９８年，４５（２），ｐ．１２７６−１２８０ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000131218A (ja) | 2000-05-12 |
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