国際宇宙ステーションから宇宙飛行士がデジカメで撮影した画像のオーロラ研究への活用

• Project/Area Number: 20K20940
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 細川 敬祐 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80361830)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野澤 悟徳 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (60212130) ; 津田 卓雄 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (90444421)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: オーロラ / 国際宇宙ステーション / 画像処理 / ジオロケーション

Outline of Research at the Start

国際宇宙ステーション（ISS）から宇宙飛行士が市販のデジタルカメラを用いて撮影した地球の画像が，NASAのウェブサイトにおいて公開されている．これらのISSデジカメ画像は，言わば「見えたまま」の画像であり，カメラの向きや画角，歪み，撮像時刻などの「カメラパラメータ」の情報が存在しない．本研究は「ISSデジカメ画像のジオロケーションを決定する手法」 を確立し，科学データとして再生する．さらに，「デジカメ画像のRGB色空間情報からオーロラ電子のエネルギーを推定する手法」 を確立し，オーロラ電子エネルギーの広域マップを導出する．

Outline of Annual Research Achievements

ISS からデジタルカメラを用いて撮像されたオーロラを含む画像について，街明かりとの比較からカメラパラメータを決定し，地理座標上にマップする作業を行った．さらに，デジタルカメラの RGB チャンネルの発光強度比を用いて，オーロラ降下電子エネルギーを定性的に求めることに取り組んだ．特に，G チャンネルと B チャンネルの比を用いることで，脈動オーロラと呼ばれる発光強度が時間的に変動するオーロラについてエネルギー推定を行い，オーロラの増光時に，より高いエネルギーの電子が降下していることを示した．これらの成果については，Journal of Geophysical Research 誌に 2 編の論文として発表されている．これらの作業と並行して，ノルウェートロムソにおいて実施する予定の ISS に搭載されているものと同型のデジタルカメラによる地上実験を行うための観測システムの開発を行った．その過程では，機械学習を用いたオーロラの自動判定システムを構築し，オーロラが発生したときにのみ高時間分解能で観測を行う仕組みを実装することに成功した．このオーロラ自動判定システムは，Scientific Reports 誌に論文として発表され，プレスリリースを通じて，中日新聞などのメディアに取り上げられた．さらに，ISS に搭載されているものと同型のデジタルカメラによる地上実験を行うための観測システムの開発を行い，ノルウェートロムソにおいて欧州非干渉散乱レーダー（EISCAT）との同時観測を実施した．この観測によって得られたカラーデジタルカメラ画像と EISCAT レーダー，およびフォトメータによる観測を組み合わせることで，オーロラの色（RGB チャンネルの比率）からオーロラ降下電子のエネルギーを定量的に導出する手法を確立した．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] University of Tromsoe(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] University of Tromsoe(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [Journal Article] A Ground‐Based Instrument Suite for Integrated High‐Time Resolution Measurements of Pulsating Aurora With Arase (2023)
  • Author(s): Hosokawa K.、Oyama S.‐I.、Ogawa Y.、Miyoshi Y.、Kurita S.、Teramoto M.、Nozawa S.、Kawabata T.、Kawamura Y.、Tanaka Y.‐M.、Miyaoka H.、Kataoka R.、Shiokawa K.、Br?ndstr?m U.、Turunen E.、Raita T.、Johnsen M. G.、Hall C.、Hampton D.、Ebihara Y.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Shinohara I.、Fujii R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Issue: 8
  • DOI: 10.1029/2023ja031527
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Space Plasma Physics: A Review (2023)
  • Author(s): Tsurutani Bruce T.、Zank Gary P.、Sterken Veerle J.、Shibata Kazunari、Nagai Tsugunobu、Mannucci Anthony J.、Malaspina David M.、Lakhina Gurbax S.、Kanekal Shrikanth G.、Hosokawa Keisuke、Horne Richard B.、Hajra Rajkumar、Glassmeier Karl-Heinz、Gaunt C. Trevor、Chen Peng-Fei、Akasofu Syun-Ichi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Plasma Science Volume: 51 Issue: 7 Pages: 1595-1655
  • DOI: 10.1109/tps.2022.3208906
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Implication of Detecting the Internal Modulation in a Pulsating Aurora: A Conjugate Observation by the Arase Satellite and All‐Sky Imagers (2023)
  • Author(s): Nanjo S.、Ebukuro S.、Nakamura S.、Miyoshi Y.、Kurita S.、Oyama S.‐I.、Ogawa Y.、Keika K.、Kasahara Y.、Kasahara S.、Matsuoka A.、Hori T.、Yokota S.、Matsuda S.、Shinohara I.、Wang S.‐Y.、Kazama Y.、Jun C.‐W.、Kitahara M.、Hosokawa K.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Issue: 8
  • DOI: 10.1029/2023ja031499
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Correspondence of Pi2 pulsations, aurora luminosity, and plasma flux fluctuation near a substorm brightening aurora: Arase observations (2023)
  • Author(s): Chen, L., K. Shiokawa, Y. Miyoshi, S. Oyama, C-W. Jun, Y. Ogawa, K. Hosokawa, Y. Kazama, S. Y. Wang, S. W. Y. Tam, T. F. Chang, B. J. Wang, K. Asamura, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, K. Keika, Y. Kasaba, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Kasahara, A. Matsuoka, I. Shinohara, S. Nakamura
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 128 Issue: 10
  • DOI: 10.1029/2023ja031648
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional ionospheric conductivity associated with pulsating auroral patches: reconstruction from ground-based optical observations (2023)
  • Author(s): Fukizawa, M., Tanaka, Y., Ogawa, Y., Hosokawa, K., Raita, T., and Kauristie, K.
  • Journal Title: Ann. Geophys. Volume: 41 Issue: 2 Pages: 511-528
  • DOI: 10.5194/angeo-41-511-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An automated auroral detection system using deep learning: real-time operation in Troms?, Norway (2022)
  • Author(s): Nanjo Sota、Nozawa Satonori、Yamamoto Masaki、Kawabata Tetsuya、Johnsen Magnar G.、Tsuda Takuo T.、Hosokawa Keisuke
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 106-106
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11686-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Periodicities and Colors of Pulsating Auroras: DSLR Camera Observations From the International Space Station (2021)
  • Author(s): Nanjo Sota、Hozumi Yuta、Hosokawa Keisuke、Kataoka Ryuho、Miyoshi Yoshizumi、Oyama Shin‐ichiro、Ozaki Mitsunori、Shiokawa Kazuo、Kurita Satoshi
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 10
  • DOI: 10.1029/2021ja029564
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fine‐Scale Visualization of Aurora in a Wide Area Using Color Digital Camera Images From the International Space Station (2020)
  • Author(s): Nanjo Sota、Hozumi Yuta、Hosokawa Keisuke、Kataoka Ryuho、Miyoshi Yoshizumi、Oyama Shin‐ichiro、Ozaki Mitsunori、Shiokawa Kazuo、Kurita Satoshi
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 125 Issue: 3
  • DOI: 10.1029/2019ja027729
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 夜側で観測されたショックオーロラを構成する 3 種類の発光とその時空間発展 (2023)
  • Author(s): 南條壮汰, 山内正敏, Magnar G. Johnsen, 横山佳弘, Urban Branstrom, 細川敬祐
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）2023 年秋季年会
• [Presentation] Ring-shaped expanding pulsating aurora: simultaneous observations with Arase (2023)
  • Author(s): Hosokawa, K., S. Kurita, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, Y. Ogawa, M. Ozaki, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Yagitani, S. Matsuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, I. Shinohara and R. Fujii
  • Organizer: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An AI-based auroral observation using a wide angle digital camera mounted on a gimbal (2023)
  • Author(s): Nanjo, S., U. Branstrom, T. T. Tsuda, T. Aoki, and K. Hosokawa
  • Organizer: 47th Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Post-midnight にオーロラオーバルの極側で見られた STEVE のような発光の事例解析 (2023)
  • Author(s): 南條壮汰, G.A. Hofstra, 野澤悟徳, 塩川和夫, 川端哲也, 細川敬祐
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
• [Presentation] 広角レンズを装着したデジカメとジンバルを用いたオーロラの観測：BROR ロケット実験との同時観測を含めた観測例の紹介 (2023)
  • Author(s): 南條壮汰, U. Branstrom, T. Sergienko, 津田卓雄, 青木猛, 細川敬祐
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
• [Presentation] AI とジンバルを用いたアクティブなオーロラ観測システムの開発と運用 (2022)
  • Author(s): 南條壮汰，Urban Brandstrom，津田卓雄，青木猛，細川敬祐
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] 深層学習を用いたオーロラの自動検出システム：ノルウェー・トロムソにおけるリアルタイム運用 (2021)
  • Author(s): 南條壮汰, 細川敬祐, 野澤悟徳, Magnar G. Johnsen
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2021 年大会
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからのデジタルカメラ撮像データを用いた孤立型プロトンオーロラ鉛直構造の推定 (2021)
  • Author(s): 高橋一輝, 南條壮汰, 穂積裕太, 細川敬祐, 三好由純
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2021 年大会
• [Presentation] ISS から観測された “Great Wall” オーロラの生成メカニズム (2021)
  • Author(s): 南條壮汰, 田中杜雄, 佐藤夏雄, 穂積裕太, 細川敬祐, 片岡龍峰, 三好由純, 大山伸一郎, 尾崎光紀, 塩川和夫, 栗田怜
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2021 年大会
• [Presentation] Tromsoe AI：ノルウェー・トロムソにおけるオーロラのリアルタイム検出システム (2021)
  • Author(s): 南條壮汰，野澤悟徳，山本雅毅，川端哲也，Magnar G. Johnsen，津田卓雄，細川敬祐
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 150 回総会及び講演会
• [Presentation] Tromsoe AI: real-time notification service of auroral appearance in Tromsø, Norway (2021)
  • Author(s): Sota Nanjo, Satonori Nozawa, Masaki Yamamoto, Tetsuya Kawabata, Magnar G. Johnsen, Takuo T. Tsuda, Keisuke Hosokawa
  • Organizer: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of energy of precipitating electrons causing pulsating aurora and omega band: Digital camera observations from ISS (2020)
  • Author(s): Nanjo, S., N. Sato, Y. Hozumi, K. Hosokawa, R. Kataoka, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, M. Ozaki, K. Shiokawa and S. Kurita
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからのリム方向デジカメ観測を用いたオーロラ電子のエネルギー推定 (2020)
  • Author(s): 南條壮汰, 佐藤夏雄, 穂積裕太, 細川敬祐, 片岡龍峰, 三好由純, 大山伸一郎, 尾崎光紀, 塩川和夫, 栗田怜
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 148 回総会及び講演会
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからのデジカメ観測による脈動オーロラの広域空間特性 (2020)
  • Author(s): 南條壮汰, 穂積裕太, 細川敬祐, 片岡龍峰, 三好由純, 大山伸一郎, 尾崎光紀, 塩川和夫, 栗田怜
  • Organizer: 宇宙空間からの地球超高層大気観測に関する研究会
• [Presentation] “Great Wall” seen in the omega band: full-color digital camera observation from the International Space Station (2020)
  • Author(s): Nanjo, S., N. Sato, Y. Hozumi, K. Hosokawa, R. Kataoka, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, M. Ozaki, K. Shiokawa and S. Kurita
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Full-scale spatial characteristics of pulsating aurora derived from color digital camera images from the International Space Station (2020)
  • Author(s): Nanjo, S., Y. Hozumi, K. Hosokawa, R. Kataoka, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, M. Ozaki, K. Shiokawa and S. Kurita
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Tromsoe AI
  • URL: https://tromsoe-ai.cei.uec.ac.jp