JPH10318844A - 熱赤外画像データを利用した温度推定方法及び温度推定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人工衛星から海面を撮影して得た熱赤外画像
データと撮影時の大気状態情報とに基づいて海面温度を
推定する温度推定装置を提供する。 【解決手段】 データ変換部１２において、熱赤外画像
データを画素毎の輝度値に変換し、当該輝度値を所定の
放射輝度データに変換する。一方、透過率データ算出部
１４において、大気状態情報から透過率データ、例えば
熱赤外光の波数帯平均値を算出する。温度推定部１５
は、放射輝度データ及び波数帯平均値に基づいて、海面
温度を演算パラメータとして含む放射伝達方程式の近似
式を作成し、作成した近似式に基づいて海面温度を逆演
算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば衛星リモー
トセンシングにおいて、熱赤外画像データから対象物の
表面温度を推定する温度推定技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星や航空機から対象物を撮影して
得た熱赤外画像データを用いて当該対象物の温度を推定
する技術が知られている。このような温度推定技術で
は、撮影時の大気中の熱放射による温度誤差を無視する
ことができない。そこで、従来は、大気中の熱放射によ
る温度誤差を、過去の現地観測データに基づく経験的な
回帰関係式や統計的手法を用いて除去し、温度推定値を
補正している。

【０００３】例えば、Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭによる海面
画像からその海面の温度を推定する場合、従来は、下記
のような手法を用いて温度誤差を補正していた。 （１）海面画像の画素毎の輝度値を所定の換算式を用い
て放射輝度データに変換する。 （２）変換した放射輝度データから海面温度を算出す
る。 （３）現地観測データと算出された海面温度との回帰関
係式や統計的手法を用いて温度誤差成分を除去する。 この手法については、「香西、浦田：Ｌａｎｄｓａｔ
ＴＭによる大阪湾海面水温の観測、１９９６年度日本海
洋学会秋季大会 原稿」に詳細に紹介されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来、
温度誤差成分を補正する場合は、経験的な回帰式関係や
統計的手法を使用している。これらの回帰関係式等は、
演算パラメータの逐次変化に対応し得ないため、撮影領
域やそのときの大気状態情報に変化があると、その都
度、膨大な現地観測データを取り直して上記回帰関係式
等の計算をやり直す必要があった。そのため、演算処理
が煩雑になるばかりでなく、温度推定値の演算サイクル
が長くなり、現地観測データと温度推定値との間の温度
誤差を低減させることが難しいという問題があった。

【０００５】そこで本発明の課題は、熱赤外画像データ
を利用して対象物の温度を推定する場合に、撮影領域や
そのときの大気状態情報が変化した場合であっても当該
対象物の温度推定精度を一定以上に維持することができ
る、改良された温度推定方法を提供することにある。本
発明の他の課題は、上記温度推定方法の実施に適した温
度推定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の温度推定方法は、上記対象物をその上空から熱赤外
光を用いて撮影して得た熱赤外画像データを利用して前
記対象物の温度を推定する方法であって、光の放射輝度
データを導出するための放射伝達方程式を前記熱赤外光
の属性情報により簡略化して前記対象物からの熱放射
量、あるいはこの熱放射量と前記熱赤外画像データから
算出した放射輝度データとを演算パラメータとして含む
温度推定式を作成し、作成した温度推定式と前記熱赤外
画像データから算出した放射輝度データとに基づいて前
記熱放射量を逆推定することを特徴とする。

【０００７】好ましくは、前記放射輝度データとして、
熱赤外画像データから画素毎に変換して得た輝度値を所
定の換算式で換算したものを用いる。また、前記透過率
データとして、撮影時における大気の透過率の波数帯平
均値を用いる。

【０００８】また、上記他の課題を解決する本発明の温
度推定装置は、対象物をその上空から撮影して得た熱赤
外画像データと前記対象物の撮影時に観測された大気状
態情報とを取得する手段と、取得した前記熱赤外画像デ
ータを画素毎に輝度値に変換するとともに各輝度値を所
定の換算式を用いて放射輝度データに換算する手段と、
取得した前記大気状態情報から当該大気の透過率データ
を算出する手段と、前記放射輝度データを導出するため
の光の放射伝達方程式に近似し且つ前記対象物からの熱
放射量及び前記透過率データを演算パラメータとして含
む温度推定式を作成し、作成した温度推定式と前記換算
した放射輝度データとに基づいて前記熱放射量を演算す
る手段と、を備えることを特徴とする。

【０００９】本発明は、また、対象物をその上空から撮
影して得た熱赤外画像データを読み込んで画素毎の輝度
値に変換する処理、変換された輝度値を所定の換算式を
用いて放射輝度データに換算する処理、前記対象物を撮
影した際に観測された大気状態情報を読み込んで当該大
気の透過率データを算出する処理、前記放射輝度データ
を導出するための光の放射伝達方程式に近似し且つ前記
対象物からの熱放射量及び前記算出された透過率データ
を演算パラメータとして含む温度推定式を作成し、作成
した温度推定式と前記換算した放射輝度データとに基づ
いて前記熱放射量を演算する処理をコンピュータ装置に
実行させるためのプログラムがコンピュータ読み取り可
能な形態で記録された記録媒体を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、熱赤外光を用いて人工衛星
から撮影された海面の熱赤外画像データと、光（電磁波
を含む）の放射伝達理論とに基づいて、温度の逆推定を
行う場合の実施の形態を説明する。熱赤外光は波長が比
較的長く、散乱の影響が殆どないので、光の放射伝達方
程式による放射輝度データＩは、下記（１）式のように
近似することができる。

【００１１】

【数１】

【００１２】但し、ｖは熱赤外光の波数（v=1/λ,λは
波長）、ｖ１、ｖ２は観測される光の波数の最小値、最
大値、εは海面放射率、Ｚは衛星高度、Ｚ’は海面から
の高度、τv(a,b)は波数ｖにおける高度aからｂまでの
透過率関数、Ｔsは海面温度、Ｂｖは波数ｖにおける熱
放射量、Ｃ1、Ｃ2は定数である。式（１）において、第
１項は海面からの熱放射量、第２項は大気が射出する熱
放射量を示している。この（１）式は、光の放射伝達方
程式を簡略化した式であり、この放射伝達方程式と放射
輝度データＩとから海面温度Tsについての解を解析的に
算出することは不可能である。

【００１３】そこで、（１）式の左辺である放射輝度デ
ータＩに対する第１項の海面からの熱放射量の寄与度
と、第２項の大気からの熱放射量の寄与度との関係を利
用して、（１）式のさらなる簡略化を行う。つまり、海
面撮影時に大気から射出される熱放射量（第２項）が、
前記対象物の表面から射出される熱放射量（第１項）に
対して無視し得る程度に小さい大気モデルの場合、
（１）式は、右辺第１項のみの関数として表すことがで
きる。

【００１４】さらに、大気中の水蒸気等の吸収係数は、
波数によって大きく変化するため、吸収係数の関数であ
る（１）式の右辺第１項中の総透過率τvを、波数変化
に従って積分することは処理が複雑化する。しかし、こ
の総透過率τvの変化分の積分値は、熱赤外光の場合は
波数帯平均値τavgとほぼ等価と考えることができる。
そこで、総透過率τvに代えて波数帯平均値τavgを用い
ると、（１）式は下記の（２）式のように近似すること
ができる。

【００１５】

【数２】

【００１６】本発明では、このようにして光の放射伝達
方程式を簡略化して（２）式のような温度推定式を作成
する。そして、（２）式左辺の放射輝度データＩを既知
の値として、海面温度Ｔsについての解、すなわち海面
温度Ｔsの逆推定を行う。この逆推定のための演算は
（１）式を用いる場合に比べて著しく簡略化されてお
り、熱赤外画像データや大気状態情報を取り直した場合
であっても迅速に適正解が得られるため、撮影領域や大
気状態情報の変化にフレキシブルに対応することがで
き、現地観測データとの間の温度誤差を一定値以下に低
減させることができるようになる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明を具体化するための温度推定装
置の実施例を説明する。この温度推定装置１は、図１に
示すように、画像データ入力装置２から取り込まれた熱
赤外画像データが画像データ読込部１１に入力され、ま
た、温度推定の対象物を撮影した際に観測された大気状
態情報（大気の透過率、吸収係数等、大気の状態を表す
情報、以下同じ）が大気状態情報入力装置３から大気状
態情報読込部１３に入力されるように構成される。画像
データ入力装置２は、例えばパラボラアンテナを含む受
信装置のように、人工衛星からの熱赤外画像データを入
力する装置であるが、予め人工衛星から取り込んだ熱赤
外画像データを蓄積する外部記憶装置等であってもよ
い。また、大気状態情報入力装置３は、透過率データの
基礎となる大気状態情報を格納した外部記憶装置、ある
いはこの大気状態情報を個別的に入力するためのキーボ
ードである。

【００１８】画像データ読込部１１は、画像データ入力
装置２から入力された熱赤外画像データを読み込んでデ
ータ変換部１２に送出するものであり、大気状態情報読
込部１３は、大気状態情報入力装置３から入力された大
気状態情報を読み込んで透過率データ演算部１４に送出
するものである。

【００１９】データ変換部１２は、熱赤外画像データを
画素毎に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上述
の放射輝度データに変換するものである。この換算式
は、熱赤外画像データの種類に応じて定まる。例えば、
熱赤外画像データが前述のＬａｎｄｓａｔ ＴＭの場
合、換算式は、ＮＡＳＡ（米国航空宇宙局）が提案して
いる換算式を用いる。一方、透過率データ演算部１４
は、大気状態情報から大気の透過率データを演算するも
のである。これらのデータ変換部１２及び透過率データ
演算部１４の出力は、それぞれ温度推定部１５に入力さ
れる。

【００２０】温度推定部１５は、データ変換部１２で変
換された放射輝度データに基づいて、光の放射伝達方程
式に近似し且つ海面からの熱放射量及び透過率データ演
算部１４において算出された透過率データを含む大気パ
ラメータを演算パラメータとして含む温度推定式を作成
し、作成した温度推定式から熱放射量を既知として、海
面温度を逆推定するものである。推定された温度は、出
力装置４に出力される。出力装置４は、例えばＣＲＴ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
憶装置等である。

【００２１】なお、上記各機能に基づいて下記の処理動
作を行う画像データ読込部１１、データ変換部１２、大
気状態情報読込部１３、透過率データ演算部１４、及び
温度推定部１５は、例えばコンピュータ装置が所定のプ
ログラムを読み込んで、それを実行することにより形成
される。プログラムは、通常は、コンピュータ装置と一
体に組み込まれて使用されるが、コンピュータ装置が読
み取り可能な記録媒体、例えば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）
等に記録され、温度推定装置１として使用するときにコ
ンピュータ装置の記憶装置にインストールされるもので
あってもよい。

【００２２】次に、上記温度推定装置１を用いて海面温
度を推定する場合の具体的な動作を、図２により説明す
る。以下の例では、熱赤外画像データとして、人工衛星
で撮影したＬａｎｄｓａｔ ＴＭバンド６画像を用い、
画像の幾何学的な歪みについては補正済みであるものと
する。また、大気モデルとして、米国空軍Ｈａｎｃｏｍ
基地のＰｈｉｌｉｐｓ研究所が提供している大気パラメ
ータを推定するプログラム「ＭＯＤＴＲＡＮ３．５」の
中緯度夏モデルを使用する。

【００２３】まず、画像データ読込部１１から熱赤外画
像データを読み込むとともに、大気情報読込部１３から
大気状態情報を読み込む（ステップＳ１０１）。熱赤外
画像データについては、データ変換部１２において、画
素毎の輝度値に変換し、さらに、上記換算式を用いて放
射輝度データＩに変換する（ステップＳ１０２，Ｓ１０
３）。一方、大気状態情報については、透過率データ演
算部１４で透過率データ（この実施例では波数帯平均値
τavg）を算出する（ステップＳ１０４）。その後、放
射輝度データＩ、波数帯平均値τavgに基づいて上記
（２）式に示した温度推定式を作成し（ステップＳ１０
５）、作成した温度推定式を海面温度Ｔｓについての逆
問題として解き、海面温度を算出する（ステップＳ１０
６）。そして、算出結果を出力装置４に送出する（ステ
ップＳ１０７）。

【００２４】撮影海域が変化し、それに伴って撮影時の
大気状態が変化した場合、あるいは同一撮影海域である
が大気状態が変化した場合、温度推定装置１は、ステッ
プＳ１０１以降の処理を再度実行し、状態変化に対応し
た温度推定値を算出する（ステップＳ１０８：Yes）。

【００２５】図３は、この実施例により出力装置４に表
示される画面の一例を示した説明図である。図３では、
表示彩度の明るい部分が海面温度の高い領域を示し、表
示彩度の暗い部分は海面温度の低い領域を示している。
また、Ａ１００１は表面温度の高い領域が点在している
状況を表しており、Ａ１００２は表面温度の高い領域が
密集している状況を表している。一方、領域Ａ１００３
は、領域Ａ１００１，Ａ１００２よりも表面温度の低い
箇所が密集している状況を表しており、領域Ａ１００４
は、領域Ａ１００１，Ａ１００２，Ａ１００３よりも表
面温度が低い箇所を表している。また、図示の数値は、
各観測点において算出された温度推定値から現地観測デ
ータを差し引いた値（温度誤差）［℃］である。

【００２６】図３に示されるように、この実施例では、
画素毎に輝度値を得、それに基づいて放射輝度データＩ
に変換しているので、海面温度は、領域毎に推定するこ
とができる。また、上記条件下において、本実施例によ
り算出された海面温度の推定値と各観測領域における現
地観測データとを比較すると、平均推定温度誤差は１．
２［℃］、温度誤差の最大値は１．９[℃]、温度誤差の
最小値は０．５［℃］という高精度の値が得られた。

【００２７】このように、放射伝達方程式を簡略化した
温度推定式を用いた場合であっても、温度誤差を最大２
[℃］程度の範囲内に抑えることができるので、従来の
ように、回帰関係式や統計的手法等のような複雑な演算
式を使用する必要がなくなり、迅速な温度推定処理が可
能になる。従って、撮影海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、温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温度誤差を一
定値以下に維持することができる。

【００２８】なお、この実施例では、推定対象物を海面
とした場合の例について説明したが、本発明は上記実施
例に限定されるものではなく、その表面から熱を放射す
る対象物であれば、同様に適用できるものである。

【００２９】

【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、熱赤外画像データを利用して対象物の温度を
推定する場合の処理時間が従来手法に比べて著しく短縮
される効果がある。また、温度推定に要する処理時間が
短縮されることから、実際の観測温度と推定値との間の
誤差を低減させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る温度推定装置の機能ブ
ロック図。

【図２】この実施例による温度推定の手順を示すフロー
チャート。

【図３】この実施例により推定された温度を可視化した
場合の一例を示す説明図。

【符号の説明】

１ 温度推定装置 ２ 画像データ入力装置 ３ 大気情報入力装置 ４ 出力装置 １１ 画像データ読込部 １２ 大気状態情報読込部 １３ データ変換部 １４ 透過率データ演算部 １５ 温度推定部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物をその上空から熱赤外光を用いて
   撮影して得た熱赤外画像データを利用して前記対象物の
   温度を推定する方法であって、 光の放射輝度データを導出するための放射伝達方程式を
   前記熱赤外光の属性情報により簡略化して前記対象物か
   らの熱放射量を演算パラメータとして含む温度推定式を
   作成し、作成した温度推定式と前記熱赤外画像データか
   ら算出した放射輝度データとに基づいて前記熱放射量を
   逆推定することを特徴とする温度推定方法。
2. 【請求項２】 前記温度推定式は、前記対象物の撮影時
   における大気の透過率データをも演算パラメータとして
   含み、この透過率データと前記算出した放射輝度データ
   とに基づいて前記熱放射量を逆推定することを特徴とす
   る請求項１記載の温度推定方法。
3. 【請求項３】 前記熱赤外画像データを画素毎の輝度値
   に変換し、変換された前記輝度値を所定の換算式で換算
   することにより前記放射輝度データを算出することを特
   徴とする請求項１または２記載の温度推定方法。
4. 【請求項４】 前記透過率データは、撮影時における大
   気の透過率の波数帯平均値であることを特徴とする請求
   項２または３記載の温度推定方法。
5. 【請求項５】 対象物をその上空から撮影して得た熱赤
   外画像データと前記対象物の撮影時に観測された大気状
   態情報とを取得する手段と、 取得した前記熱赤外画像データを画素毎に輝度値に変換
   するとともに各輝度値を所定の換算式を用いて放射輝度
   データに換算する手段と、 取得した前記大気状態情報から当該大気の透過率データ
   を算出する手段と、 前記放射輝度データを導出するための光の放射伝達方程
   式に近似し且つ前記対象物からの熱放射量及び前記透過
   率データを演算パラメータとして含む温度推定式を作成
   し、作成した温度推定式と前記換算した放射輝度データ
   とに基づいて前記熱放射量を演算する手段と、を備える
   ことを特徴とする温度推定装置。
6. 【請求項６】 対象物をその上空から撮影して得た熱赤
   外画像データを読み込んで画素毎の輝度値に変換する処
   理、 変換された輝度値を所定の換算式を用いて放射輝度デー
   タに換算する処理、 前記対象物を撮影した際に観測された大気状態情報を読
   み込んで当該大気の透過率データを算出する処理、及
   び、 前記放射輝度データを導出するための光の放射伝達方程
   式に近似し且つ前記対象物からの熱放射量及び前記算出
   された透過率データを演算パラメータとして含む温度推
   定式を作成し、作成した温度推定式と前記換算した放射
   輝度データとに基づいて前記熱放射量を演算する処理、 をコンピュータ装置に実行させるためのプログラムがコ
   ンピュータ読み取り可能な形態で記録された記録媒体。