EROSデーターセンター, スーフォールズ, サウスダコタ　To English

EROSデーターセンター, スーフォールズ, サウスダコタ　To English
1956, 1973, 1984, 1997年

アースショット（Earthshots） は、サウス・ダコタ州スーフォールズの郊外にある米国地質調査所EORS国立センターにより作成された。EROS国立センターは、米国大陸東岸から西岸までの衛星データを受信するため、大陸の中央に作られた。また、電波干渉をさけるため、郊外に建設された。

"USGS National Center for Earth Resources Observation and Science" or the "USGS National Center for EROS"

EROS国立センターは、国立の陸域衛星リモートセンシングデータ資料センターであり、ランドサット画像、航空写真、AVHRRデータ、コロナ及びアルゴン衛星写真、その他の陸域に関する衛星・航空写真のデータを保管する公式図書館である。EROSは、Earth Resources Observation and Scienceの略語である。

1972年7月23日のランドサット1号が打ち上げられたとき、ランドサット画像を保管するためのセンターは建設途中であった。1973年にセンターが建設され、約70人の職員がスーフォールズの仮オフィスから移動した。1997年には、センターは地球科学データを保管する世界最大の資料センターとなり、500人の職員が勤務する。この中には、仮オフィスから引っ越してきた70人の内、17人が含まれる。

	センター職員	スーフォールズ人口
1973	７０	７５，３７５
1984	３４２	９２，２２５
1997	５１５	１１５，０００

数字が示すように、センターとスーフォールズがともに大きくなった¹。スーフォールズは、ビッグ・スーフォール川のU字に曲がった地点で、西側にスクンク渓谷と合流し、北側へ流れる。1973年と1997年の画像を比べると、南側を大きく包むように新興住宅地があり、U字のすぐ南東側にショッピング・モールがある。

センターの拡張は接近すると分かる。1997年のランドサット画像と斜め航空写真によると、センターの１×0.5マイル(1.6km×0.8km)に、道路、本館、倉庫、駐車場、EROS湖が望める。EROS湖は堰堤により作られ、処理排水を流し入れ、ブラックバスとブルーギルが釣れる。約１００エーカーの土地は、将来農業に従事する米国の若者によって耕されている。本館の南東に、付属施設を建設予定の整地された場所が、明るい青白色に見える。

1997年のひょう

1997年7月13日の日曜日の午後遅く、雷とともに野球ボールからソフトボールサイズのひょうが20分間にわたって降ってきた²。国立気象サービスのレーダー画像は、スーフォールの北西に移動する赤い点でひょうの降下地点を示す。3日後にランドサット5号が飛来し、そのランドサット画像によると、嵐の通り道は、都市部のように明るい反射面として写し出された。画像の主は赤い部分は、健康なトウモロコシ畑であり、正方形のマス目の一部には反射率の高い裸地が見える。（ひょうが降る前の画像には、雲とその影が見える。）ひょうが降った後の画像によると、ひょうが畑を裸地に変えた様子が判読できる。

この嵐によって、センターでは１２０万ドルの被害を受けた。地方局ニュースで放送されたように、車の窓ガラスが割れ、木の枝が折れ、観葉植物がめちゃくちゃに壊れ、窓が割れ、地面にひょうの跡が残った。写真処理用の水の６０％を温める電力を供給する512個の太陽電池パネルがひょうによって壊れた。多くの天窓のガラスが壊れ、雨漏りが発生した。ひょうは屋上のコンクリート舗装をも破壊した。AVHRR用のアンテナも被害を受けたが、機能していた。完成後1ヶ月しか経っていないランドサット7号用のアンテナ(打ち上げ予定が1999年)も被害を受け、2000箇所のへこみが付いた。幸いなことに、けが人はでなかった。

主成分画像

ひょうが降った後のTM画像について主成分分析（PCA）を行った。主成分分析により、TMの６つのバンドのデータから情報が圧縮され、三つの合成バンドの画像が作られた。

多くの衛星画像には、バンド間になんらかの冗長度がある。例えば、ひょうが降った後のTMのバンド4, 3 と 2の画像を見られたい。通常は、赤、緑、青に組み合わせ、フォールスカラー画像として表示されるバンドである。可視波長帯域の赤と緑に対応する３と２のバンドは、ほとんど同様の画像であることが分かる。通常、我々は同時に3つのバンドによる再現画像しか見れない。再現に利用されなかったバンド１、５と７の情報を画像として表示するスペースが存在しない。ここでは、熱赤外(Thermal IR)のバンド６は再現データとして除外視する。この問題を回避するために、コンピュータ上に6次元の仮想空間を作り、画素を配置し、3つの主成分を求める。すなわち、３つの最も顕著な傾向を示すライン、あるいは、変化を示す重要な次元を求めることである。2次元の散布図の例に示すように、二つのバンドから一つの成分を求めることである。ここでは、６つのバンドのデータから６つの成分が与えられるが、主成分分析により分散の９８％を説明可能な３つの成分を求める³。

この主成分分析結果を赤、緑、青で示すが、ほとんど冗長度がない。赤の成分は、植生の変化に対応する。同様に、緑の成分は頑丈な反射面を示し、青の成分は湿度を示す。強調画像によると、耕作地、あられによる被害地、都市部を区別することが可能である。

設問

アースショットのAVHRR画像の再現色に対し、バンドの２，１，１が割り振られていることが気にならないか?不自然に感じないか?どうして、バンド１が２度利用されるのか?どうして、きれいな画像となるか?

(解答は下に。)

参考文献

1. Population figures are from the Sioux Falls Planning Office. Source U.S. Census: 1950 52161, 1960 65466, 1970 72488, 1975 77300. Source S.F. Planning Office: 1984 92225, 1 January 1997 115000, 1 January 1998 117500. 1956 and 1974 figures are linear interpolations.

2. Sioux Falls Argus Leader, 14 July 1997, p. 1.

3. Lillesand, Thomas M., 1994, Remote sensing and image interpretation, 3rd ed.: New York, Wiley & Sons, p. 572.

その他の文献

Thanks to the National Weather Service, Sioux Falls, for the radar images. "The EROS Hailstorm, July 13, 1997" by Ron Holmes, NWS, is available at www.crh.noaa.gov/fsd/eros.htm

Thanks to KDLT TV, Sioux Falls, for the use of the news footage.

Satellite images

LM1031030007324090 (Landsat 1 MSS, 28 August 1973)

LM502903000842420 (Landsat 5 MSS, 29 August 1984)

LT5029030009718110 (Landsat 5 TM, 30 June 1997)

LT5029030009719710 (Landsat 5 TM, 16 July 1997)

特別プロジェクト画像

A 15 August 1972 false-color Landsat image of southeastern South Dakota is available as Special Projects Image 402. A 1984 NHAP color-infrared aerial photograph of Sioux Falls is available as Special Projects Image 1529. Several black-and-white aerial photographs of Sioux Falls from 1937 to 1990 are also available as Special Projects Images. Contact EDC Customer Services for information and ordering.

地図

U.S. Geological Survey, 1980 (1955, revision 1980), Sioux Falls: scale 1:250,000.

U.S. Geological Survey, 1984 (compiled 1964, edition of 1984), State of South Dakota: scale 1:500,000.

その他の画像

The 2 September 1956 Soil Conservation Service aerial photograph is from the USDA Aerial Photography Field Office, 2222 West 2300 South Salt Lake City UT 84119, phone 801-975-3503. Frame "9-2-56 VM-1R-94".

The photographs of the hailstones and the Landsat 7 antenna were taken by Mike Austad, USGS EROS Data Center, on 14 July 1997.

The photographs of the damaged bean field (SE1/4 sec18 T103N R48W) and undamaged bean field (SE1/4 sec14 T103N R49W) were taken by Jim Vogelmann, USGS EROS Data Center, on 16 July 1997.

The aerial photograph of EDC was flown on 2 July 1996 by Horizons, Inc., on color negative film, which is now stored at at HAS Images Inc. in Dayton, OH.

The radar images are courtesy of the National Weather Service, Sioux Falls, S.D. These are NWS doppler radar refectivity images, measured in decibels, with the radar pointed one-half-degree upward. "ND" = no data.

The television video is courtesy of KDLT TV, Sioux Falls, S.D. This clip was edited from the 5 p.m. newscast of 14 July 1997.

設問に対する答え

米国地質調査所は地上調査のためにランドサット画像を利用している。国立気象サービスがある米国海洋大気庁（NOAA）は、改良型高解像度放射計（AVHRR）を利用し、雲、水域などの観測を行っている。ランドサットの観測波長は陸域観測に適し、AHVRRは気象観測に適する。

AVHRRの二つのバンドは、広域にわたる地表面の観測に利用されてきた。この二つのバンドにより、陸域と雲あるいは水域と区別するために設計されたが、地表の植生などを計測することが可能である。AVHRRは、毎日、全球を観測することができ、約１kmの空間分解能のため、全球を一つのデータセットとして取り扱うことができる。このため、陸圏の科学者は、AVHRRのデータに注目し、AVHRRの気象センサーを陸地の研究に利用してきた。

しかし、画像はどうであろうか?ランドサットMSS、TMあるいはAVHRRは、近赤外波長帯域に感度を持ち、互換性がある。しかし、可視波長帯域では、ランドサットが赤、緑、青のバンドを持つのに対して、AVHRRは緑から赤の幅広いバンドを持つ。前に説明したように、可視波長バンドは高い冗長度を持つため、AVHRRのひとつのバンドを、赤と緑のバンドに置き換えることができる。ランドサットは赤、緑、青の再現色を利用し、AVHRRは赤とシアン(青と緑)の再現色であるにもかかわらず、両者の画像は非常に類似する。以下のバンドの組み合わせは、再現色として互換性を持つ：

センサー	再現色
センサー	R	G	B
AVHRR	２	１	１
MSS	４	２	１
MSS	４	２	２
TM	４	３	２
TM	４	３	３

（はじめに/ヘルプの章の電磁波と再現色を参照されたい。）

Bookmark www.usgs.gov/Earthshots for Earthshots, 8th ed., 12 January 2001, from the EROS Data Center of the U.S. Geological Survey, a bureau of the U.S. Department of the Interior.

EROS Data Center, Sioux Falls, S.D.　日本語へ
1956, 1973, 1984, 1997

Earthshots comes from the EROS Data Center (EDC), a U.S. Geological Survey facility outside Sioux Falls, South Dakota. EDC was placed in the center of the continent to receive data from satellites coast-to-coast, and it was placed out of town to avoid radio interference.

EDC is the National Satellite Land Remote Sensing Data Archive-- the official library of Landsat images, aerial photographs, AVHRR data, Corona and Argon satellite photographs, and other such land-related data from satellites and airplanes. EROS stands for Earth Resources Observation Systems.

When Landsat 1 was launched on 23 July 1972, workers were still constructing the Data Center building which would store the Landsat images. In 1973 the Center was completed and about 70 employees moved in from their temporary quarters in Sioux Falls. By 1997 EDC was the world's largest archive of earth science data and employed over 500 people (including 17 of the original 70 "downtowners").

       EDC      Sioux Falls

       staff    population

1973:   70       75,375

1984:  342       92,225

1997:  515      115,000

As these numbers show, EDC and Sioux Falls have both grown.¹ Sioux Falls formerly lay in the crooked U of the Big Sioux River, with Skunk Creek joining on the west and a diversion channel on the north. Between 1973 and 1997 you can see new residential areas wrapping all around the south, and the mall district appearing just southwest of the U.

EDC's growth requires closer looking. Compare the 1997 Landsat image to the oblique aerial photograph. In our half section (1 x .5 miles) you can make out the driveway, main building, warehouse, parking lots, and "Lake EROS", a dammed pond which is fed by our water treatment system and fished for bass and bluegill. About 100 acres of EDC land is farmed by the Future Farmers of America. Bare construction soil, excavated as part of our expansion, is visible southeast of the building, as bright bluish white.

The 1997 hailstorm

An extraordinary late-afternoon thunderstorm pounded EDC with 20 minutes of baseball- to softball-sized hail on Sunday, 13 July 1997.² Radar images from the National Weather Service show the falling hail as red cells tracking northwest of Sioux Falls. Landsat 5 passed overhead three days later and documented the aftermath in that same storm path, appearing in the Landsat images as bright reflections like the city. The dominant red pattern represents fields of healthy crops, laid out among square section lines and interspersed with a few plots of reflective bare ground. (The pre-hail image also shows some clouds and their shadows.) The post-hail image shows where hail effectively converted cropland into bare soil.

The storm cost EDC over $1.2 million in damages. As described on local television, vehicles were smashed, branches broken, foliage shredded, windows broken, and ground pockmarked. The hail destroyed an array of 512 solar panels which had heated 60% of the photo lab's water. Many skylight panels were broken, and the roof sprang leaks. The hail broke concrete paving stones on the roof. The AVHRR antenna dish was damaged but continued to work. The big antenna for Landsat 7 (scheduled to launch in 1999) was only a month old; the electronics were smashed and the dish had over 2,000 dents. Luckily, no one was injured.

The principal components image

We processed the post-hail TM scene into a principal components analysis (PCA) image. The PCA image presents more information, by compressing the information in six TM bands into three synthetic "bands".

In any satellite image there is some redundancy between bands. For example, look at bands 4, 3 and 2 of the post-hail TM image, shown as red green and blue in the standard false-color composite. Bands 3 and 2 (representing visible red and visible green) tell almost the same story. And since we can only show three channels at one time, there is no room in the image for all that information in bands 1, 5 and 7 (we left out band 6, the long-wavelength thermal IR band). To get around this obstacle we have a computer "chart" the pixels in imaginary 6-dimension space, and then determine the three principal components-- that is, the three most salient trend-lines, or important dimensions of variability. (It's easier to understand in a two-dimension scatterplot, where one principal component is derived from two bands.) We could have made up to 6 principal components, but the first 3 explain about 98% of the variance seen in all 6 original bands.³

Our principal components, shown as red green and blue, contain little redundancy. The red component corresponds to variation in vegetation. Likewise green means reflective (hard) surfaces, and blue means moisture. The image was enhanced to make the cropland, the hail swath, and the urban areas distinct.

Question

If you are the type to have read this far, you may also have noticed that Earthshots shows AVHRR images with red-green-blue representing bands 2-1-1. Didn't that seem odd to you? Why would we show band 1 twice, and why would this work? (See the answer below.)

Footnotes

2. Sioux Falls Argus Leader, 14 July 1997, p. 1.

3. Lillesand, Thomas M., 1994, Remote sensing and image interpretation, 3rd ed.: New York, Wiley & Sons, p. 572.

Other references

Thanks to the National Weather Service, Sioux Falls, for the radar images. "The EROS Hailstorm, July 13, 1997" by Ron Holmes, NWS, is available at www.crh.noaa.gov/fsd/eros.htm

Thanks to KDLT TV, Sioux Falls, for the use of the news footage.

Satellite images

LM1031030007324090 (Landsat 1 MSS, 28 August 1973)

LM502903000842420 (Landsat 5 MSS, 29 August 1984)

LT5029030009718110 (Landsat 5 TM, 30 June 1997)

LT5029030009719710 (Landsat 5 TM, 16 July 1997)

Special Projects Images

Maps

U.S. Geological Survey, 1980 (1955, revision 1980), Sioux Falls: scale 1:250,000.

U.S. Geological Survey, 1984 (compiled 1964, edition of 1984), State of South Dakota: scale 1:500,000.

Other images

The photographs of the hailstones and the Landsat 7 antenna were taken by Mike Austad, USGS EROS Data Center, on 14 July 1997.

The photographs of the damaged bean field (SE1/4 sec18 T103N R48W) and undamaged bean field (SE1/4 sec14 T103N R49W) were taken by Jim Vogelmann, USGS EROS Data Center, on 16 July 1997.

The aerial photograph of EDC was flown on 2 July 1996 by Horizons, Inc., on color negative film, which is now stored at at HAS Images Inc. in Dayton, OH.

The television video is courtesy of KDLT TV, Sioux Falls, S.D. This clip was edited from the 5 p.m. newscast of 14 July 1997.

Answer to the question above

USGS uses Landsat images to examine land. NOAA (the National Oceanic and Atmospheric Administration, which includes the National Weather Service) uses AVHRR images (from the Advanced Very High Resolution Radiometer on NOAA satellites) to look at everything else-- clouds and water. So the Landsat bands were designed for land applications, while the AVHRR bands were designed for weather applications.

But it turned out that two of the AVHRR bands were very useful for looking at large areas of land. These bands were designed for distinguishing land from the clouds and water, but we can also use them to measure the land's vegetation and other properties. AVHRR sees the whole world every day, and its low resolution (about 1 km) yields a nice, manageable amount of data. So land scientists are very interested in AVHRR data, and these weather sensors are now operated for land study as well.

But what about the images? All these sensors have a near-infrared band, so that is comparable. But in the visible range, Landsats have separate red, green and blue bands, where AVHRR has only one cross-color band. But as we explained above, visible bands have high reundancy, so we can substitute the one visible AVHRR band for both visible red and visible green. The images come out looking very similar, even though one is a red-green-blue mix and the other really just red-cyan. All these band combinations are visually comparable:

          shown as:

sensor    R   G   B

--------------------

AVHRR     2   1   1

  MSS     4   2   1

  MSS     4   2   2

   TM     4   3   2

   TM     4   3   3

(See the Welcome / Help article for more on how RGB represents EMR.)

Bookmark www.usgs.gov/Earthshots for Earthshots, 8th ed., 12 January 2001, from the EROS Data Center of the U.S. Geological Survey, a bureau of the U.S. Department of the Interior.