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

• 研究課題/領域番号: 20K20940
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 細川 敬祐 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80361830)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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．

研究成果の概要

ISSからのデジカメ画像を地理座標上にマップする作業を行い，観測領域の近傍にある地上カメラとの比較を行うことによって，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，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，オーロラ電子のエネルギー推定を行い，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．さらに，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．

研究成果の学術的意義や社会的意義

ISSからのデジタルカメラ画像が，ディスクリートオーロラのような微細な空間構造を有するオーロラだけでなく，脈動オーロラのような激しく時間変化するオーロラにも適用可能であることを示した．この結果は，デジタルカメラ画像のオーロラ科学への活用の意義を示すものとして評価されている．また，深層学習を用いてオーロラの出現状況や形態などを自動的に判定するシステムの開発に成功し，市民サイエンスへの応用が可能であることを示した．

研究成果

• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [国際共同研究] University of Tromsoe(ノルウェー)
• [国際共同研究] University of Tromsoe(ノルウェー)
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [雑誌論文] A Ground‐Based Instrument Suite for Integrated High‐Time Resolution Measurements of Pulsating Aurora With Arase (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 8
  • DOI: 10.1029/2023ja031527
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Space Plasma Physics: A Review (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 51 号: 7 ページ: 1595-1655
  • DOI: 10.1109/tps.2022.3208906
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An Implication of Detecting the Internal Modulation in a Pulsating Aurora: A Conjugate Observation by the Arase Satellite and All‐Sky Imagers (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 8
  • DOI: 10.1029/2023ja031499
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Correspondence of Pi2 pulsations, aurora luminosity, and plasma flux fluctuation near a substorm brightening aurora: Arase observations (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 128 号: 10
  • DOI: 10.1029/2023ja031648
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional ionospheric conductivity associated with pulsating auroral patches: reconstruction from ground-based optical observations (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukizawa, M., Tanaka, Y., Ogawa, Y., Hosokawa, K., Raita, T., and Kauristie, K.
  • 雑誌名: Ann. Geophys. 巻: 41 号: 2 ページ: 511-528
  • DOI: 10.5194/angeo-41-511-2023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An automated auroral detection system using deep learning: real-time operation in Troms?, Norway (2022)
  • 著者名/発表者名: Nanjo Sota、Nozawa Satonori、Yamamoto Masaki、Kawabata Tetsuya、Johnsen Magnar G.、Tsuda Takuo T.、Hosokawa Keisuke
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 106-106
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11686-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Periodicities and Colors of Pulsating Auroras: DSLR Camera Observations From the International Space Station (2021)
  • 著者名/発表者名: Nanjo Sota、Hozumi Yuta、Hosokawa Keisuke、Kataoka Ryuho、Miyoshi Yoshizumi、Oyama Shin‐ichiro、Ozaki Mitsunori、Shiokawa Kazuo、Kurita Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 10
  • DOI: 10.1029/2021ja029564
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fine‐Scale Visualization of Aurora in a Wide Area Using Color Digital Camera Images From the International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: Nanjo Sota、Hozumi Yuta、Hosokawa Keisuke、Kataoka Ryuho、Miyoshi Yoshizumi、Oyama Shin‐ichiro、Ozaki Mitsunori、Shiokawa Kazuo、Kurita Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 125 号: 3
  • DOI: 10.1029/2019ja027729
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, 山内正敏, Magnar G. Johnsen, 横山佳弘, Urban Branstrom, 細川敬祐
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）2023 年秋季年会
• [学会発表] Ring-shaped expanding pulsating aurora: simultaneous observations with Arase (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium 2023
  • 国際学会
• [学会発表] An AI-based auroral observation using a wide angle digital camera mounted on a gimbal (2023)
  • 著者名/発表者名: Nanjo, S., U. Branstrom, T. T. Tsuda, T. Aoki, and K. Hosokawa
  • 学会等名: 47th Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, G.A. Hofstra, 野澤悟徳, 塩川和夫, 川端哲也, 細川敬祐
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, U. Branstrom, T. Sergienko, 津田卓雄, 青木猛, 細川敬祐
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰，Urban Brandstrom，津田卓雄，青木猛，細川敬祐
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, 細川敬祐, 野澤悟徳, Magnar G. Johnsen
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 2021 年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 高橋一輝, 南條壮汰, 穂積裕太, 細川敬祐, 三好由純
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 2021 年大会
• [学会発表] ISS から観測された “Great Wall” オーロラの生成メカニズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 2021 年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 150 回総会及び講演会
• [学会発表] Tromsoe AI: real-time notification service of auroral appearance in Tromsø, Norway (2021)
  • 著者名/発表者名: Sota Nanjo, Satonori Nozawa, Masaki Yamamoto, Tetsuya Kawabata, Magnar G. Johnsen, Takuo T. Tsuda, Keisuke Hosokawa
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of energy of precipitating electrons causing pulsating aurora and omega band: Digital camera observations from ISS (2020)
  • 著者名/発表者名: Nanjo, S., N. Sato, Y. Hozumi, K. Hosokawa, R. Kataoka, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, M. Ozaki, K. Shiokawa and S. Kurita
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 148 回総会及び講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 宇宙空間からの地球超高層大気観測に関する研究会
• [学会発表] “Great Wall” seen in the omega band: full-color digital camera observation from the International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: Nanjo, S., N. Sato, Y. Hozumi, K. Hosokawa, R. Kataoka, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, M. Ozaki, K. Shiokawa and S. Kurita
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Full-scale spatial characteristics of pulsating aurora derived from color digital camera images from the International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: Nanjo, S., Y. Hozumi, K. Hosokawa, R. Kataoka, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, M. Ozaki, K. Shiokawa and S. Kurita
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [備考] Tromsoe AI
  • URL: https://tromsoe-ai.cei.uec.ac.jp