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
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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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)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥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)
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| 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 |
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| 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．
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| Outline of Annual Research Achievements |
国際宇宙ステーション（ISS）から市販のデジタルカメラを用いて撮影された地球の画像が，NASAのウェブサイトにおいて公開されている．これらの ISS デジタルカメラ画像は，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 デジタルカメラ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ことを目指す．最終的には，ノルウェーのトロムソで実施するデジタルカメラを用いた地上較正実験と光学発光モデルと組み合わせることで「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ことを目指す．
本年度は，ISS からのデジタルカメラ観測で得られた画像の 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 チャンネルの比に着目することで，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，脈動オーロラが明るくなった時間帯に，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．この成果を Journal of Geophysical Research 誌に発表し，国際学会でも報告を行った．また，上記のデータ解析と並行して，機械学習を用いたオーロラの自動検出システムの開発に取り組み，高い精度でオーロラの発生を検知することができることを確認した．現在，この自動検出に関する成果は，英文論文として学術雑誌に投稿されており，現在査読プロセスへの対応を行っている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，ISS からデジタルカメラを用いて撮像されたディスクリートオーロラ，ディフューズ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，その結果を地上からのオーロラ観測と比較することで，マッピングの精度がオーロラのサイエンスを行うために十分なものであることを確認した．また，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も取り組んだ．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．これらの作業をもって，当初予定していた ISS デジタルカメラ画像の初期解析をさせることができた．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．特に，ジンバルと呼ばれる機器を導入し，オーロラが発生した時間帯にカメラを所望の方向に向けることができるシステムの製作を進めてきている．本年度はコロナ禍のためにノルウェーにおける機器設置作業を行うことができなかったが，2022 年度秋には海外出張が行えることを想定した準備を継続している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022 年度前半に，「ジンバルによるカメラ撮像方向の制御」「機械学習を用いたオーロラ発生の検出」の技術開発を完了させ，オーロラが発生した時間に自律的にオーロラ発生領域に向けて観測を行う「自動オーロラ観測ロボット」を製作する．2022 年度秋にノルウェーへ渡航し，機器の設置を行い，冬季のオーロラ観測を実施する．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欧州非干渉散乱レーダー（EISCAT）による電子密度観測実験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する．最終的には，この手法を ISS から撮像されたオーロラの広域観測画像に適用することで，オーロラ降下電子のエネルギーを広い領域において定量的に可視化することを目指す．
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
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[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
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