DMSP衛星画像によるアジア都市の光分布とエネルギー消費に関する研究
慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科
修士課程1年 学籍番号:80424104
有泉安代
1.
背景
1-1.
アジア地域における都市化の進展
世界は歴史上かつて見ることのなかった急速な都市化にさらされている。国連人口基金の推計によると、今後人口の都市集中がますます加速し、1950年には約7億人であった都市人口が2025年には50億人に達する見通しである。人口を都市化率（総人口に占める都市人口の割合）に換算すると、1950年には29.3％だったものが2025年には60％を超えるものと推定されている。中でも特にアジア発展途上国諸都市の人口の増加が顕著であり、2015年には2千万人を超える巨大都市7都市のうち、東京を含め5都市をアジアの都市が占めると予測される。
都市化の進展は、都市の過密化や郊外へのスプロールと相まってさまざまな環境負荷を発生させている。先進国では早くから各種問題の解決に努めるべく、都市計画が策定されてきた。一方、途上国においては今日非計画的な爆発的都市化がすすみ、地球環境への負荷の急激な増大が懸念されている。21世紀の諸問題の中でも、アジア圏の急速な巨大都市化は、今後の世界の持続可能な発展を考えていく上で、無視することのできない重要な問題である。
1-2.
都市部におけるエネルギー消費
都市における人間活動によるエネルギー消費は、地球温暖化問題や、酸性雨など地球環境問題と密接に関係している。そのような地球環境問題の解決を図るためには、都市化とエネルギー消費の関係を探り、効率的なエネルギー使用の可能な都市のあり方を考えることが重要である。
一之瀬 (1993) は、都市におけるエネルギー消費構造の国際間比較を行っており、都市におけるエネルギー消費構造の国際的・地域的な多様性を指摘している。また、先進国では都市化は必ずしもエネルギー消費量の増加につながらないものの、発展途上国における今後の都市化はエネルギー消費の急激な増加をもたらすことを予想している。また、Shu-li (2001) は、台北を対象地域とし、地域ごとのエネルギー構造をもとに都市を空間的に分類し、エネルギー構造は都市化の度合いと密接に関係していることを明らかにしている
2.
研究の目的
本研究では、データ整備の送れているアジア都市の研究のためのツールとして、DMSP画像を活用する。まず、アジア圏内において、DMSP夜間画像から抽出される都市域を取り上げ、画像から読み取れる光分布の時系列推移を観察する。それとともに、都市の光強度と統計上の経済指標との間にどのような関係が見られるか、また、都市化の進展の度合いとエネルギー消費量にどのような関係があるのかを把握することを目的とする。途上国で爆発的な都市化が進展する中、環境負荷の低い都市のあり方を模索することは急務である。本研究をそのための1ステップとしたい。
3.
DMSP衛星画像を用いた都市に関する既往研究
初期の研究は、電子データが入手できなかったため、画像フィルムを電子データに変換し、一枚の画像を作成することが出発点となっている。この時期の研究は、DMSP夜間画像の、エネルギー消費パターンや都市の経済活動との関連性が指摘されている。主な研究として、中山・田中(1983)およびWelch(1980)が挙げられる。中山・田中(1983)は、世界中の人口密度の高い都市を対象に、単一時点の都市の光の直径を計測し、光の直径は都市の経済力とほぼ比例関係にあることを見出した。また、Welch(1980)は、米国の18都市について、光の強さを考慮して3次元の光ドームを定義してその体積を計測し、エネルギー消費との関連性を検証している。そして、DMSP夜間光画像から人口、エネルギー消費量の推定が可能であると結論付けている。ただし、夜間光画像は都市以外の明かりや雲の影響を受けてしまい、都市域を正確に把握ことは困難であるとされている。
1992年にDMSP/OLSの電子データが入手可能となった後、Elvidge et
al.(1997a)により、OLSデータを扱うための新しい手法が提案された。恒常的な光源を示す指標であるSLI(Stablel light
image)を作成することで、一時点の画像では除去することが不可能な雲の影響や、一時的な都市以外の灯りを除去することが可能となった。SLIとは、ピクセルごとに、雲に遮蔽されず観測された、時系列で取得したシーン中のある閾値以上の光存在したところをパーセンテージで示したものである。このSLIを用いて複数の研究がなされている。Imhoff et
al.(1997a)は都市域を捉える試み、Elvidge et
al.(1997b)は人口、経済活動、電力消費との相関関係の調査を行っている。対象地域としては米国が扱われている。
上で述べたとおり、SLIデータは広く応用されたが、SLIの値は一定の都市域では飽和してしまい、都市内部での差異が観測できないという欠点があった。この欠点を改善するためにElvidge et
al.(1999)はさらに新しい指標を提案している。Radiance-calibrated
data(輻射低標夜間灯光強度データ)と呼ばれるものである。Lo(2002)およびLo(2001)は、このデータを用いて、中国を対象として人口の推定、都市化指標の評価を行っている。また、Sutton(2001)は、DMSP/OLSによる都市人口の推定を試みたもので、低所得国、中所得国、高所得国を区別してモデルの推定を行い、DMSP/OLSデータの新たな可能性を示している。さらに、一ノ瀬他(2002)では、Radiance-calibrated
dataとSLIの中間に位置づけられる指標として、アジア地域のNon
Radiance-calibrated average light intensity dataを作成したうえで、経済指標との相関を検証している。
以上のように、DMSP/OLSデータは形式を変化させながらも、都市に関する研究として、主に｢人口｣「エネルギー消費」「経済レベル」との関連性の検証が中心となっており、DMSP/OLSデータがそれらの指標の代替となりうるか、という点が議論の中心となっている。
一方、DMSP/OLSから都市域を抽出し、都市化が地球資源に及ぼしている影響を見積もる研究が複数見られる。Imhoff et
al.(1997b)やLawrence et
al.(2002)は、DMSP/OLSから抽出された都市域をFAOの Digital Soils
Mapと重ね合わせることで、土壌資源に対する都市的の土地利用の影響を計測している。その結果、農業に適した土地ほど都市に利用されやすい傾向などが明らかになっている。さらに、Imhoff et
al.(2000), Imhoff et al.(2004), Milesi et al.(2003)は、MODISやAVHRRから導出されたNPPを合わせて用い、米国における都市化が光合成の季節変化や一次生産にどの程度影響を与えるか計測する試みを行っている。全体としてみると、都市化により光合成生産は減少するが、灌漑やヒートアイランドがプラスに影響するケースも存在することが指摘されている。DMSP/OLSで都市域を正確に抽出するには、適切な閾値の設定が課題となるが、Henderson et
al.(2003)は異なる発展段階にある都市の領域を抽出する試みを行っている。
また、その他の研究として、Sutton(2003)は、米国における都市人口とDMSP/OLSの光面積との相関関係に着目し、回帰直線からの乖離を指標として、都市ごとのスプロールの度合いを見積もっている。
<DMSP/OLS夜間光画像に関する研究一覧>
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著者(発表年) |
目的 |
対象地域 |
データ年度 |
使用データ |
成果 |
課題 |
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(1) |
一ノ瀬他(2002) |
アジア地域における複数時点のデータセットを構築し、DMSPデータ時系列解析の有用性を示す |
アジア全体(事例解析としてバンコクと中国) |
1992〜93、1997、1999 |
Non radiance-calibrated average light intensity data |
・時系列解析の有用性の可能性を見出す ・人間活動の変化が光量データの変化として表現された(アジア通貨危機など) |
・光量分布予測モデルの構築 ・大きな時系列変化を示す地域についての関連資料収集 ・エネルギー消費の将来予測 |
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(2) |
Nakano et al.(2002) |
DMSPデータの経済指標としての有用性を示す |
バンコク、上海 |
1992〜93、1997、1999 |
一ノ瀬他(2002)による作成データ |
・他の衛星画像と比較することで、経済指標としての有用性を示した |
・特定地域についての、統計情報と照らし合わせたより詳細な研究 ・データの精度向上 |
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(3) |
Lo(2002) |
DMSPデータによる都市化指標の評価 |
中国 |
1996〜1997 |
Radiance Calibrated Data (光面積と光量) |
・アロメトリック成長モデルを適用することで、DMSPデータとbuild-up area、非農業人口との相関を確認 |
モデルの精度向上 |
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(4) |
Lo(2001) |
DMSPデータによる人口の推定 |
中国 |
1996〜1997 |
Radiance Calibrated Data |
DMSPデータによる人口推定の有効性を示した |
エネルギー消費、個人所得、産業生産など他の社会経済指標との結びつけ |
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(5) |
Doll et al.(2000) |
社会経済指標、温室効果ガス放出の推定 |
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<取り寄せ中> |
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(6) |
Elvidge et al.(1999) |
光強度も反映した新しい安定光強度データの作成 |
米国全土 |
1996〜1997 |
Radiance Calibrated Data |
Radiance Calibration Dataは、人間活動や、環境への影響を測るよりよい指標といえる (都市中心部の明るさの多様性が明らかになる、電力消費との強い相関性がみられる) |
・大気補正を加える必要性 ・雲だけではなく雪の影響を取り除く必要性 |
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(7) |
Elvidge et al.(1997a) |
OLS電子データから恒常的な光データを抽出する手法開発 |
米国全土 |
1994〜1995 |
SLI |
OLSの電子データを用いてcity lightsを地図化する手法を開発した |
グローバル地図を作成し、各方面へ提供すること |
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(8) |
Elvidge et al.(1997b) |
OLSデータと人口、経済活動、電力消費の関係 |
21カ国 |
1994〜1995 |
SLI |
OLSデータと人口、GDP、電力消費の間に高い相関関係を見出した |
温室効果ガス排出の予測モデル、土地や水資源への人為影響モデルなどの応用研究 |
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(9) |
Imhoff et al.(1997a) |
OLSデータから正確な都市域を捉える |
米国全土 (事例：サクラメント・シカゴ・マイアミ) |
1994〜1995 |
SLI |
都市域と非都市域を区別するため、SLIの閾値を89％以上とすることで、センサス・データと都市域が一致。Pixel blooming
problemが改善された。 |
・センサス・データ(1990年度)を用いて評価したことの妥当性 ・低開発国への応用 |
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(10) |
Imhoff et al.(1997b) |
FAO Digital Soils Map と重ね合わせることで、土壌資源に対する都市の土地利用影響を計測する |
米国全土 (事例：カリフォルニア、イリノイ、ウィスコンシン、フロリダ) |
1994〜1995 |
SLI (閾値を89％以上とし、データを[1][0]に変換) |
・農業に向く土地ほど都市に利用されやすい傾向が見られた ・特定のタイプの土壌が失われつつあることが判明した |
・OLSデータ精度の向上 ・データ分析手法の向上 ・閾値設定の影響についての研究 |
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(11) |
Sutton et al.(1997) |
OLSデータと人口密度の比較 |
米国全土 |
1994〜1995 |
ピクセルごとの光強度最大値 |
OLSデータによる人口推計の有効性 |
経済レベルの異なる地域間での検証 |
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(12) |
中山他(1993) |
全球夜間映像の作成し地理学的観点から考察する |
全世界 |
1984〜1988 |
38シーンのフィルムをデジタル変換して全休夜間映像を作成、都市の光の直径を計測 |
・都市の光の大きさは地域的な経済活動と関連している ・光の分布パターンは自然の潜在エネルギー、化石燃料の消費状況を表す ・焼畑、漁火、油田地帯の分布も地域的特長として観察される |
今後配布が行われるデジタルデータの活用による人間活動が自然環境へ及ぼす影響の調査 |
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(13) |
中山・田中(1983) |
世界の経済傾向との関係 |
人口密度の高い都市(北米、欧州、東アジア、中央アジア) |
1978〜1979 |
単一時点の都市の光の直径 |
・光の直径は経済力とほぼ比例関係にあることが分かった ・浪費型の都市、節約型の都市が明確になった |
人口密度の少ない地域の経済傾向の把握への適用 |
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(14) |
Welch(1980) |
エネルギー消費との関連性 (中国の人口との関連についてはLANDSATを使用) |
米国18都市 |
1975 |
単一時点のデータから光ドーム(IUA:Illuminated
Urban Area)を定義 |
衛星画像から人口、エネルギー消費量の推定が可能である |
都市域を正確に把握することは困難(都市以外の明かり、雲の影響、pixel
saturation, pixel blooming) |
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(15) |
Welch, Zupko(1980) |
エネルギー消費パターンとの関連性 |
米国35都市 |
1975 |
単一時点のデータから光ドーム(IUA:Illuminated
Urban Area)を定義 |
DMSP画像と人口、エネルギー消費量の間に高い相関関係を見出す |
都市域内部でのエネルギー消費を特定できる手法の改善 |
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4．DMSPデータの分析
(1)データの特性
DMSP/OLSは、1976年に利用が開始された夜間の地上光が観測できるセンサーで、1992年より電子化されたデータが配信されるようになった。解像度は2.8kmである。通常、雲に遮蔽されず観測された時系列で取得したシーンから、ある閾値以上の光が存在したところをパーセンテージで示したもの(SLI)や、観測された光強度の平均値によって定義されたデータなどを用いる。
(2)使用データ
国立環境研究所が過去に作成した、Non
Radiance-Calibrated Dataを用いる。時期は3時点で、1992年から1993年のデータをもとに作成したもの、1996年のデータを基に作成したもの、1998年のデータを基に作成したものである。領域はインドを含むほぼアジアの全域である。
(3)分析内容
(1)社会経済統計との比較分析
DMSP/OLSデータを用いた既往研究の大部分が社会経済統計との相関を分析したものであるため、まずは主に日本国内を対象に、社会経済統計との相関分析を試みた。具体的には、世界地図、日本地図などのポリゴンデータと組み合わせることにより、区域ごとに人口密度、GDP、エネルギー消費量などとの相関を分析した。対象とした領域を以下に挙げておく。
・日本（都道府県単位、市区町村単位）
・中国（省単位、都市単位）
・アジア全域 (国単位)
(2)LandsatTM画像により判読できる都市域との比較分析
DMSP/OLSデータを用いて都市域が抽出できるのではないかという想定を元に、上海を対象にしてLandsatTM画像から判読できる都市域と、DMSPの光強度が示す都市域とがどの程度一致するのか観察した。LandsatTM画像は上海地域について、1989年と2002年の画像を入手し、DMSPの92年、96年、98年のそれぞれの画像と比較した。
(4)結果の検証
(a)社会経済統計との比較分析
・ 人口密度：日本においては都道府県別にみたところ、人口密度と単位面積当たり光強度には正の相関がはっきりと見られ、日本においてはDMSP/OLSデータが人口の集積を反映していることが分かる。国単位で見てみると、日本や韓国は人口密度に対して光強度が高いのに対し、モルディブやバングラデシュは人口密度に対して光強度が極端に低い。これは光強度が単純に人口の集積に対応しているわけではなく、国の経済レベルによる影響を強く受けていることを示している。
・ エネルギー消費量：日本で都道府県別に事業所のエネルギー消費量との関連をみたところ、はっきりとした相関は見られなかった。
・ GDP：日本について都道府県別にみたところ、正の相関が見られたが、説明力はそれほど高くない。
・
中国の都市の中心部から半径20kmの円内の光強度を集計し、都市の人口や地域総生産、工業総生産との相関を分析した。人口とは全く相関が見られなかったが地域総生産、工業総生産とは一定の相関関係がみられた。
[日本]
[中国]
(b)LandsatTM画像により判読できる都市域との比較分析
DMSP/OLS光画像は、都市の位置と大まかな形状を示していることが読み取れた。都市域の抽出に適切な閾値が不明であるため、光強度の閾値を変更しながら観察したが、1996年、1998年のDMSP/OLSデータは最大値が都市域の大部分を占めているのに対し、1992年のDMSP/OLS最大値は都市の一部しか示していなかった。年度によって都市部の光強度が異なり、また、経済レベルによって同じ人口密度でも光の強度が異なることから、DMSP/OLSデータに客観的な閾値を設け、正確な都市域を抽出するのは困難であることが確認された。
5．参考文献
(1)一ノ瀬俊明,中谷友樹,松村寛一郎,2002. 夜間光衛星画像データDMSPによるアジアの地域別経済活動強度推定.平成12年度〜平成13年度科学研究費補助金研究成果報告書.
(2)Y.Nakano, T.Ichinose, T.Mitsuno, 2002. Economical Evaluation and
Analysis in Asia by Utilizing Nighttime City-light data. The 7th
annual international conference on industrial engineering of IJIE
(3) Lo,C.P., 2002. Urban Indicators of China from Radiance-Calibrated
Digital DMSP-OLS Nighttime Images. Annals of the Association of American
Geographers, 92, pp.225-240.
(4)Lo,C.P., 2001. Modeling the Population of Chine Using DMSP
Operational Linescan System Nighttime Data – The radiance-calibrated DMSP-OLS
nighttime data have been found to be capable of estimating accurately the urban
population of China at the provincial, country, and city levels.
Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 67, pp1037-1047.
(5)Doll,C.N.H., Muller,J.P., and Elvidge,C.D. 2000. Night time Imagery
as a Tool for Global Mapping of Socio-economic Parameters and Greenhouse Gas
Emissions. Ambio, 29, pp157-162
(6)Elvidge,C.D., Baugh,K.E., Dietz,J.B., Bland,T.,Sutton,P.C., and
Kroehl,H.W., 1999. Radiance calibration of DMSP-OLS low-light imaging data of
human settlements. Remote Sensing of Environment, 68, pp77-88.
(7)Elvidge,C.D., Baugh,K.E., Kihn,E.A., Kroehl,H.W.,1997a. Mapping City
Lights with Nighttime Data from the DMSP Operational Linescan System. Photogrammetric
Engineering and Remote Sensing, 63, pp727-734.
(8)Elvidge,C.D., Baugh,K.E., Kihn,E.A., Kroehl,H.W., Davis,E.R., and
Davis,C.W., 1997b. Relation between satellite observed visible-near infrared emissions,
population, economic activity and electric power consumption. International
Journal of Remote Sensing, 18, pp1373-1389.
(9)Imhoff,M.L., Lawrence,W.T., Stutzer,D.C., and Elvidge,C.D., 1997a. A
Technique for Using Composite DMSP/OLS “City Lights” Satellite Data to Map
Urban Area. Remote Sensing of Environment, 61, pp361-370.
(10)Imhoff,M.L., Lawrence,W.T., Elvidge,C.D., Paul,T., Levine,E.,
Privalsky,M.V., and Brown,V., 1997b. Using Nighttime DMSP/OLS Images of City
Lights to Estimate the Impact of Urban Land Use on Soil Resources in the United
States. Remote Sensing of Environment, 59, pp105-117
(11)Sutton,P., Roberts,D., Elvidge,C., and Meij,H., 1997. A Comparison
of Nighttime Satellite Imaginary and Population Density for the Continental
United States. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 63, pp1303-1313
(12)中山裕則, 田中總太郎, 菅雄三. 1993. DMSP全球夜間映像の作成と夜の光分布に関する地理学的考察. 日本リモートセンシング学会誌, 13, pp1-14
(13)中山裕則, 田中總太郎. 1983. 宇宙からみた夜の光分布にみる世界の経済傾向. 地理, 28(8), pp94-103
(14)Welch,R. 1980. Monitoring urban population and energy utilization
patterns from satellite data. Remote Sensing of Environment, 9, pp1-9
(15)Welch,R. and Zupko,S. 1980. Urbanized Area Energy Utilization
Patterns from DMSP Data. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 46,
pp201-207