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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

Research Project

Project/Area Number 20K20940
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
Research InstitutionThe 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 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
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)
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

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.

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.

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.

Report

(2 results)
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report

Research Products

(12 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Periodicities and Colors of Pulsating Auroras: DSLR Camera Observations From the International Space Station2021

    • 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

    • DOI

      10.1029/2021ja029564

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • 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 Station2020

    • Author(s)
      Nanjo Sota、Hozumi Yuta、Hosokawa Keisuke、Kataoka Ryuho、Miyoshi Yoshizumi、Oyama Shin‐ichiro、Ozaki Mitsunori、Shiokawa Kazuo、Kurita Satoshi
    • Journal Title

      J. Geophys. Res.

      Volume: 125

    • DOI

      10.1029/2019ja027729

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Tromsoe AI: real-time notification service of auroral appearance in Tromsø, Norway2021

    • 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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Estimation of energy of precipitating electrons causing pulsating aurora and omega band: Digital camera observations from ISS2020

    • 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
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • 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
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] “Great Wall” seen in the omega band: full-color digital camera observation from the International Space Station2020

    • 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
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Full-scale spatial characteristics of pulsating aurora derived from color digital camera images from the International Space Station2020

    • 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
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2020-08-03   Modified: 2022-12-28  

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