衛星ビッグデータと世界位置情報を統合解析する手法を世界で初めて開発

2018-02-15　京都大学,宇宙システム開発利用推進機構,株式会社ＭＭ総研,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

• 近年、衛星による観測技術が発展し、全世界レベルでさまざまな衛星ビッグデータが得られるようになってきたが、これまで世界位置情報（緯度、経度、面積区画）との標準的な紐付けがなされていなかったため、それらのデータを統合解析することや、他のデータとの間で相関解析をすることが困難であった。
• 今回、衛星ビッグデータを世界位置情報と紐付ける世界メッシュコードと呼ぶデータ形式を世界で初めて開発し、世界メッシュコードと衛星ビッグデータが紐付いた統計解析データを高速に生成する新アルゴリズムの開発に成功した。これにより衛星ビッグデータを１／３３７に圧縮することができ、標高ビッグデータの統計データベースを世界で初めて作成、一般利活用促進のため無償で公開する。
• 今後、標高ビッグデータの利用価値はさまざまな分野に広がる可能性があり、世界規模での津波被害リスクの予測解析などに効果が期待できる。また、世界メッシュコードと紐付けされたその他の各種統計データなどとの相関解析も可能となり、将来的には地下資源探索、水資源管理、洪水防止対策等さまざまな応用解析につながる可能性がある。

＜研究の背景＞

京都大学 大学院情報学研究科　佐藤 彰洋　特定准教授らは、地域メッシュコード（ＪＩＳ　Ｘ０４１０）を独自に全世界へ拡張し、標準的集計が可能なデータ形式である世界メッシュコードを提案しました。また、一般利活用促進のため世界メッシュコード計算用オープンライブラリの開発を行ってきました。

本共同研究では、全世界を覆う巨大データ源としてＡＳＴＥＲ　ＧＤＥＭに記録される全球陸域標高データに着目しました。ＡＳＴＥＲ　ＧＤＥＭは、経済産業省が開発した衛星センサＡＳＴＥＲをＮＡＳＡの人工衛星Ｔｅｒｒａに搭載して観測された１秒角（約３０ｍ）ごとの標高データです。１度角（約１１１ｋｍ）四方を１タイル（１タイルには３６０１×３６０１個の１秒角標高データが含まれる）とすれば、全球陸域に相当する約２２，０００タイルには、総計約２億８，５００万個のデータ点が含まれています。

全球陸域標高データも他の衛星ビッグデータと同様、これまで世界位置情報（緯度、経度、面積区画）との標準的な紐付けがなされていなかったため、複数のデータの統合解析や他のデータ種との相関解析が困難でした。衛星データの商用的普及において、データの相互運用性は大きな課題となっていました。

＜研究の内容＞

本共同研究では、世界メッシュコードと呼ぶ標準的なデータ形式を提案しました。そして、衛星リモートセンシング注５）により得られた標高ビッグデータを世界メッシュコードに従い統計化する（統計代表値に変換する）ことで、データ量を大幅に圧縮、他のデータと統合／相関解析することを可能にしました。また、世界メッシュ統計を作成するための高速アルゴリズムの開発に成功し、これまでスパコンレベルの計算機が必要であった全球規模の世界メッシュ標高統計作成処理が、一般的なパソコンレベルの計算機でできるようになりました。

今回作成した標高統計データベースでは、ＡＳＴＥＲ　ＧＤＥＭの全球陸域総計約２億８，５００万データ点について、１メッシュあたり３０×４５データ点のデータを４つの統計代表値に変換したことで、データ量の圧縮率約１／３７７を達成しました。

この世界メッシュコード体系に従い作成した標高統計データベースは、世界１５０以上の国と地域に対応しています。これを「世界メッシュ標高統計データ」として世界メッシュ研究所注６）が２０１８年２月１５日より無償公開します。図１は、６ヵ国の標高統計データの地図上可視化の例です。

また、世界メッシュコードの技術を用いることにより、これまで統合解析することが困難であった各種衛星ビッグデータを、世界位置情報を基に変換することが可能になりました。全世界規模の同一位置空間について、異なる分野・フォーマットで収集された、複数のビッグデータを比較、合成、可視化することができます。例えば標高データと津波リスクデータを統合的に解析することも可能です。

図２はスリランカにおける世界メッシュごとでの最低標高と夜間光強度（人工構造物密度を示す指標であり人間活動の指標）、および過去の津波上陸カタログデータから推計される津波ハザード（最低標高地点津波到達ハザード）の比較解析事例を示します。津波ハザードとは津波上陸イベントが発生する平均周期の逆数（１／ｙｅａｒ）を表し、例えば津波ハザードが０．００２の地点では５００年に１度の発生頻度となります。

標高統計データベースでは、世界メッシュコードに対して４つの標高統計代表値（最小値、平均値、中央値、最大値）が紐付けされて含まれています。スリランカの比較解析事例では、そのうち最低標高地域において津波が到達するハザードと人工構造物密度との関係を示しています。

このように３つの世界メッシュデータ（標高・津波ハザード・人工構造物密度）を用いることにより、２つの推定が可能になります。１つには、人工構造物密度が高く、かつ津波ハザードが大きな地域を絞り込むことで、津波対策を行うべき場所を予測することができます。もう１つには、標高が低いため利便性が高く、人工構造物密度が低いため未利用で、かつ津波ハザードが小さな地点を絞り込み、津波に対して安全である新たな開発地域を推定することも可能です。

このように、世界メッシュ統計によってデータを相互運用可能にすれば、統合分析、相関分析といった連結分析ができます。同一位置空間における網羅的観点からの特徴量評価を、大量のメッシュで同時に行えることになります。

＜今後の展開＞

本共同研究では今後、世界規模での他の衛星ビッグデータ、政府統計、インターネット上から収集される位置座標を含むポイントデータ、ポリゴンデータ注７）からさまざまな世界メッシュ統計を作成することで、連結統合分析を行うアプリケーションの開発につなげる予定です。

応用例として、①津波被害リスク予測、②地下資源探索、③水資源管理、④洪水防止対策等につながる可能性があります。さらに、⑤各地域の人口との相関性、⑥各地域の健康状態との相関性（病気発生状況）、⑦各地域の経済活動状況との相関性、⑧農業、畜産業などとの相関性、⑨野生動物生息地域との相関性（保護観点）など、さまざまな統計解析への応用、貢献が考えられます。

このように、各種データを相互運用することで、多様な統計解析指標を世界規模で計算できる新たなアプリケーションが実現できるようになります。世界規模での地形データ（ＤＥＭデータ注８））の利活用促進や商用的なサンプルデータの販売促進などが可能となります。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 地域メッシュコード（ＪＩＳ　Ｘ０４１０）

位置情報（緯度と経度）を基として定義される網の目形の区画（地域メッシュ）を表現するために一意に割り当てられた整数列。日本工業規格（ＪＩＳ）によって規格されている。我が国の公的統計が準拠する空間統計標準として、４０年以上の実績を有する。

地域メッシュは階層的に定義されており、全てで６階層（標準地域メッシュ３階層、分割地域メッシュ３階層）から構成されている。１次メッシュは約８０ｋｍ四方の領域を定義し、４桁の整数列で表される。２次メッシュは約１０ｋｍ四方の領域を定義し、６桁の整数列で表される。３次メッシュは約１ｋｍ四方の領域を定義し、８桁の整数列で表される。同様に４次メッシュは９桁、５次メッシュは１０桁、６次メッシュは１１桁で表される。

注２） 世界メッシュコード

地域メッシュコード（ＪＩＳ　Ｘ０４１０）の上位に２桁のコードを付与することにより全世界を覆うことができる自然な拡張を行った独自コード体系。既存の地域メッシュコードの上位に２０を付与することによりこれまで利用してきた地域メッシュコードを改編することなくそのまま世界メッシュコード体系に取り入れることを可能にする。

注３） 衛星搭載型地球観測光学センサＡＳＴＥＲ

ＡＳＴＥＲ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）は、経済産業省（ＭＥＴＩ）が開発した可視から熱赤外にわたる１４バンドの観測波長帯をもつ衛星搭載型の地球観測光学センサである。米国ＮＡＳＡの地球観測衛星Ｔｅｒｒａに搭載され、現在も運用されている。１９９９年の打ち上げ以来、１８年以上の運用実績を有する。

注４） ＡＳＴＥＲ　ＧＤＥＭ（全球３次元地形データ）

ＡＳＴＥＲ　ＧＤＥＭ（ＡＳＴＥＲ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ）は、経済産業省が米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）と共同運用している衛星搭載型地球観測光学センサＡＳＴＥＲにより取得した衛星画像データから作成した全球数値標高データ。

注５） 衛星リモートセンシング

人工衛星により対象を遠隔から測定する手段。陸域・海域・大気中におけるさまざまな現象を迅速かつ広範囲にわたり効率的に観測する手段として利用される。地球表面から放射される電磁波の波長ごとでの強度を場所ごとに観測したデータを得る。

注６） 世界メッシュ研究所

佐藤 彰洋　特定准教授らが運営する共同研究組織。共同研究の成果を発信している。

ＵＲＬ： http://www.fttsus.jp/worldgrids/ja/homepage/

注７） ポリゴンデータ

統合データ。ポリゴンとは「多角形」の意味であるが、コンピューター上で取り扱うことができる複数の位置座標の連結として表現される多角形領域を表現するデータ。

注８） ＤＥＭデータ

世界規模での地形データ。ＤＥＭデータは、地表面を等間隔の正方形に区切り、それぞれの正方形に中心点の標高値を持たせたデータである。地上の５ｍが２万５千分の１地形図では０．２ｍｍになる。５ｍのＤＥＭの場合、２万５千分の１地形図の１ｃｍ四方には２，５００個のＤＥＭデータが含まれる。

＜データ公開ＵＲＬ＞

• 日本語版： http://www.fttsus.jp/worldgrids/ja/aster-gdem-ja/
• 英語版： http://www.fttsus.jp/worldgrids/en/aster-gdem-en/
• 統計情報可視化システムＭＥＳＨＳＴＡＴＳ： https://www.meshstats.xyz/meshstats/

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