JoumalofAdvancedMariIIcScicn"&111(1T"hnologySociety.VOl.14,No.2.pp.21-28.2M)8
原DMSP/OLS夜間画像における定常光の抽出
"llm勒間.’原政r(*3岡川周平事薊八木滞事'。,‘神武寛典・$If(木屑I弘.雪西尾文彦率豐T・業火学大学院fl然科学研究科.〒263-8522T-"llimEIx弥ノ|;町l.33T・紫大学猟境リモートセンシング研究センター.〒263.85221・"il稲毛区弥生町l.33株式公祉ビジヨンテックVTIリサーチ・インステイテユート.〒3()5-0045茨城県つくば「1j"Inl2-l-l6株式会トI: I I I I ,〒135-8710束京都江東区蝋洲剤.ll l - l .暇洲IHIビル
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2008年9月3日受付,2()()9イトl)1811採鍬
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Kcywords:I)31SI'()I.S.nighilight・NRF・biascompollellt
グは.環境間迦における人間沽動の影稗を巷えるl:でとてもili災である.定常光から屯ノJ消澱肢を推定し,化イi燃料・のil'i糊によるユ酸化炭素の排lll趾を算出する研究が今後ますます必典とされる.i肱ノjil'jlYの推定を行うような場合には.地上から発
せられる定常的な人為起源の夜間光をll皇硴に杣川しなければならない.従って.要による光の遮断や減爽,林野火災などの雄i¥となる光.また,季節によって変化するjlや太附の尚度に起側する光の影響などを除去することがjit愛となる.本命文では.これらの光をノイズと称する.EIvidge"".(2001)は.1994.1995年の6ケⅡの時系ダリデータを川いて.定常光を抽出する方法をIIM発した.しかし,この手法では.ノイズが完全に削除されてないため,定‘附光がない地域もやや強い光がある地域として抽川されている.(IIara"q/、2004)は,時系タllデータからル'ililfl;を見出し,欠描データの袖|川や異'附仙の除去をijlNRF(NoiseReduCtionFiltcr)を川いてDMSP/OLS.vISの夜間画像から分離したI間:流成分を定‘附光とする手法を棚告した.しかし,抽川した定常光に太liル光に超I川する光の影響が除去されてない.本研究では,夜I川の光に人きな影評を及ぼす太陽光の
影郷を除去し、人為起源の定術光を抽出するため,定備光の抽川f法を改良した.時系列衛星データの周期性に"llし.l川波数分W『を行い.その影等を軽減する下法を
1.はじめに人1:Wijl!I)MSP(DefenseMeteorologicalSatcllite
Progrilm)に蟠俄されているOLS(OperalionalLinescanSysIem)はIII槐波及で夜間の観測ができるユニークなセンサーである.このOLSの可視一近赤外(VIS)で観測した夜Ⅲ1曲i像から得られる夜llil光をパラメータとして,漁船や災;If状況のモニタリング.人LI動態.屯力禰fWIItを推定する手法が提案されている.例えば.Waluda""(2001)は.OLS'WS夜IIMidl i
像をIⅡいてイカ釣I)漁船の光を定最化し,漁船の船舶数を推定する〃法を概併している.Kohiyama""l .(2001)は、地朧被11fを'11期に推定するシステムをIIM発した.KiranCI1illl(I""/.(2006).Fuller""/.(2000)は,DMSP/OLS伐lllllilli微を)Mいてインドとインドネシアの緑林火災のモニタリングを行った.EIvidge"dノ.(1997&1,1997b.1999),1)011cr(J/.(20"),Amaral""/.(2"5),IIIIIIら(1993)は.OLS-VIS夜|川憧j像における人IIII活助による光のmIWiと人ll.屯〃消費の間に向い相関関係があることを慨脚している.I)MSI>/OLS{klllll'l'i像には,市街地のように1年を迪
して術に発せられる光と.漁船の漁火、森林火災・焼畑のように・ll$的に発せられる光など,様々な光が含まれる(E11・idge"〃ノ.1997c).なかでも.1年を通して常に発せられる光,すなわち.市街地の定常光のモニタリン
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胡斯勒図・原政直・岡III脚平・八木浩・神武寛典・世水和弘・西ノも文彦
開発した. ある.観測さオLたデータはNOAAのNnli()nalGeophySiCalDEllaCcnlcr(NGDC)に送られ,NGI)Cからユーザに配布されている.OLSのデータはl979年から写真による観測配布が行われていたが.1992年9jj8Hからデジタルデータによる配布が行われている.NGDCでは一般配布に際してEIv idge " " ( I "9 )のr法によI ).OLSvIS,OLS-TIRともlkm×lkmの譜III I分解能にリサンプリングしている.本研究では,農林水産省農学梢鞭盗源システムの農林
水座術jI1佃j橡データベースシステムSIDaB(農林水産省.2008))にアーカイブされているl999年の日本時llllで18:側~24:"時の間に観測されたDMSP-Fl4/OLS.VISのデータを使用した.Hによって衛里の同じ場所を通過する時刻が約12分ずつずれている.SIDaBはNGDCが配川jするOLSVISの6bit(0~63)のデータを8bit(0~255)に変換してユーザに提供している.F ig . lに研究対象地域を,』くす.対象地域は,
DMSP-FI4の@lバスのモザイクでカバーできる範囲(東"68-150I虻.北紳5-55度)に設定した.
2.DMSP/OLSデータDMSPは米'五I空1I(が打ち上げ,連営している太陽I可
lリ1種軌道衛星である.スキャナーのように地球を締状に観測して少しずつ観測域をずらしながら南北i山j俺の間を回る.地上833kmをlOl分で周回しII1じ場所をlll211'1通過する.送lllイ'iりは22525MIIz又は2267MHz(Sバンド)で両械地を除いて暗号化されておI),,般には受信することができない.DMSPは,常ll#2機で逆用体制を維持しており,亜蛎目的以外に米IKI航空字術局NalionalAer()naulicsandSpaceAdminisIration(NASA)や米I鷺I海洋火気局NationalOc"nicandAImosphericAdminislration(NOAA)によl)迎川・管珊されている.現イI;はFI3,F14,Fl5,F16の4衛星が逆用中である.DMSPには7つのセンサが搭栽されており.柵度.
湿度など女〔象鯏境のモニタリングに利jilされている.そのうちOLSは,式の分jiと笈眼温鹿のモニターが剛I的である.OLSセンサは可視一近赤外(OLS-vIS)と熱亦外(OLS-TIR)の2チャンネルがある(Tablel).
3.定常光の抽出3.1NRFについて夜IIMIIhi像に含まれているランダムな光やl制期性のある
光の成分を分離し,定常光を抽出するためNRFを州いて解析した.NRFは,時系列術III仙i像におけるDNMの変動から周期性を見出し,ランダムなノイズを除去し、各周波数成分を抽出することがⅢ来る(服ら.2()03).NRFでは.雌小2乗法により式(l )の係数C) ,の
フィッティングを行い,ピクセル雌定仙/iを求める.
TablelThCSI)"incalionSOfOLSsens()r
Balld Wn'clcngth SpaliHIIRcsolllliolln n c S m o l l l
Ⅵ劃lie(day)
繍哩)().AIO-l.lO"m0.47-0.妬umlO1)-13.4"m
055kmq55km0.55km
2,7km2.7km2.7hn
Band Swalh DigilizalionⅥ豆M""・)Mgbl"IIE'l)11'fiwDIm
29 " km2%5km2リ鰯km
6bil6bil8bil ハ=cb+cIJ外・inW'卜嘆,、c"(¥)} (1)
OLSVISは品間川と夜lNlNlの2つのチャンネルがあり,ilji l lセンサの切り杵えをイrっている.槻il!リ波及'蹄は,益は0..l・l . l"m,伐は0.$17-0.95"mである.DN仙は6ビット(O~63)で観測される.空間分解能は0.55km×0.55km/ピクセルの6nemodeと2.7km×2.7km,''ピクセルのsm()0111m()deがあI),smoo(11modcはiinemodeの5×5ピクセルの平均値である.OLS-VISは夜llllセンサのケインとレベルのibll脚が行
われている.軌道}:の術41にこの制御を行う鋪・のⅡ的は,米国空軍の父象帆iil家が雲のⅡ祖判読に使川できる1曲j像を生成することにある.月光の影郷による1町像の師庇変化を補正するため.ノ1の満ち欠けおよび,柳災からシーン輝度をWMして行うケイン制御と,地l:からのケイン制御が行われているが,ケイン制御にlllする↑,'ifliは,・股には公開されていない.したがって.-股的なWlilli手法は適川できない.OLSTIRの観測波lと.IWはlO.0-13.4"mで.I)N仙は19()K~310K(KeIvin)を8ビット(0~255)で観測される.空間分解能は0.55km×0.55km/ピクセルのlinemodeと2.7km×2.7km/ピクセルのSmⅨ》lhm()dcが
ここでCID,C,,C3&,C2&1は係数を胡§す.Coはlrl:流成分を,旗し,CIはプロファイルが1111側墹加または単調減少するli#の傾きを示す.Cz:はそれぞれ1年周期.6")j周期.@1"jl周期.3ケ〃川IUI,2ケ月周期,1"月周期のsin成分の係数をぷし,C苫【、!は各周期のCOS成分の係数をぶす.ALは周波数1,2,3,4,6,12を永し,〃はlIMM,〃は周期内の周波数の数を友す.fはU数(1.36511)を表す.式(1)を式(2)のように変形することによI)振幅と位相を求めることができる.
'‘-『。。‘,'・負{、¥'+',)}(""J=、/FZ-¥̅F̅MTF' , - " ,、="〔、2Jここで,α【は"1波数klの振巾Mを,〆し,0【は周波散klの位村Iを,jミす.NRFをⅢいて解析するには.他川するデータがある
程度.迎統的に得られていることがlil提条fl:となる.欠
ワd>ー 宮
DMSP/()LS夜間測倣における定‘附光の抽出
州や雲のデータが述読するデータセッl、では,実際のプロファイルをIIj現することが難しい.このIMI題は.あるIWI111の画像のうちピクセルごとに一番商いDNを選択して合成する手法(MaximumVaiueComl)"ite:MVC)により前処理を行うことで解決できる.'ト{Ui究では,1999年のDMSP/OLS-VISに10日ごとにMVCを行った10.dayMVC時系列術14データからNRFを用いて各周波蜘茂分を分離する.3.2直流成分と周期成分の分離I{KII・fl釦〃/.(200」1)は、巾街地の夜問光は糞やノイズがなければ術に一定の光を発することに聯IIL.NRI7で柵られた直流成分が定稚光と見なせると仮定して.定
常光の抽出を行っている.そこで.研究対象地域における1”9年の全てのDMSP/OLS-VIS衛星テータを川いてデータセットを作成し、NRFを川し、て定常光の抽出を試みた.研究対象地域における叫"yモザイク慨像を作成し.10・d;lyMVC手法をlliいてモザイク画像を合成.した1年111の36枚の時系タリ合成データにNRFをかけて・直流成分.1年周肌の成分と他の周lⅢ成分をllll出した.Fig.2に無RFによ'》抽出したi《齢成分の職倣を氷す.画像から研究対象地域における役llllの定常光の分布力《分かるしかしながら.111滴緯度の施術光がない砂漉や海域もIリj患く見える.低韓度でmi像が蹄く,北維15。付近で急にIリIるくなI).さらに舞度が商<なるに従って画
駒?0,口E 1曲. ” モ 1麺・UrE 140.『0"E-=̅可に=SI-百
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像全体がlリlるくなっている.この時徴は海域でも兄られる.Fig.2bの北海道周辺のIⅢi像から見ても光がないはずの海域でもIリlるく見える地域が分かる.本来I"流成分にノイズが含まれていなければ定常的に光を発していない地域のDN仙は.-定レベルの低い仙を持っているはずである.このことからNRFにより抽出したll'I:流成分には,定常光の他、緯度への依イf性がある周期成分が含まれていると拶えられる.そこで.l・dayモザイクデータセットをlllいて.夜間画像に含まれる各成分の解枅を行った.3.3スペクトル解析を用いた夜間画像のDNの変動要因の解析3.3.1データセットの作成DMSP-F14/OLS.VIS夜IIIIIMi像におけるDN仙の変助
要因を解析するため.研究対象地域における1999年のl-da]・モザイクデータセットを作成した.使川する術jllデータの時IIII軸のバラツキを防ぐ̅ため.毎ノllO枚の画像(120枚1年)を裳が少ないことを条件に'二I視で進だし、データセットを作成した.1203.3.2周期恋動要因の解析F i g . 3にスペクトル解析の流れを示す . l ・ d a y l "モザイク油i像から4バスのデータが全て揃っていること . l l槐で笈が少ないことを条件に各ノ11080シーンづつ選択する.このI()シーンを用いて,芯
pl-dayモザイクl'l'i像1年分(120シーン)を生成し昌60た.,,§成したモザイク両像の各シーンは,経喚三
⑲〃向98“・緯度〃向6000ピクセルで附成される.萱40
mさらに.このモザイク後の120シーンについて,己
↓
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Fig.3Anowchariof l l l ( ,§I)(JcIrumanal" is●
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それぞれ絲度(68.E~150。E)"l i ' lにピクセル(9860)の持つI)Nを、}え均し,その仙を新しいピクセルのDNとして,時系タリに雌べた画像を作成した.作成した画像の時I11軸〃li1にFFT(FasIFourierTransII)rmation)によるスペクトル解枡を行い,各I''il期成分を抽出した.スペクトル解材は,MA'1,LAB2006(TheMalhW()rks,Inc.)を用いて行った.Fig .4にスペクトル解析を行う前の低緯皮(5。N). ! I$緯庇(30。X).商緯IE(55。X)の平均DNの時系列変化を示す.6I1の夏至を中心にDNが尚<,12}1の冬至をII!心に低くなっていて.DN仙が1年周則で変効している.さらに.高緯鹿ではI)N仙が聞く,低紳庇ではDK価が低くなる特徴があり,韓度への依イf性が見られる.また.純度への依存が少ない30u周期のDN
値の変動も見られる.丸い点で'J§す満月の時期とDN仙のピークはよく対応し,l年間で13個のピークがある.I)N仙のピークは湖ノ1時ではなく,そのlil後に現れる場合がある.その1m咽は,愛がjl光を反射することによI)糞がある祁分の輝度が高くなI),ldii像の平均DN値が典の少ない時に比べて尚くなるためである.さらに蝿い周期の不規則な変助がみられる.こ
れらの不規MIIな変動は,喪などランダムな要1月に
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0F e b A p r J u n A u g O c t D e c
DateFig.」IAchall群《)iavemgel)NKIII.()w.middleandhiglllilIilude
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DMSP/0LS夜刑画像における定常光の抽出
周期成分の振幅の画像を用いて直流成分に含まれる成分との比較を行った.Fig.6に1年周川成分の卿胤の画像を示す.i尚流成分の画像に比べると.市街地の光が見えないことを除いて.画橡全体のD藤値の変動特徴は,Fig2の特徴とよく一致している.15。Nより北の地域では,高純度ほど而像がlリjるくなっている.このことから仇流成分に含まれている成分は太陽光の影霧による1年州1期の成分が影聯しているとどえられる.衛星がローカル時Ⅲlの18:00~24:00蹄の問に研究対象地域を通過し,夏季はこの時llll帯で太鰐が沈みきれてないため太'吻光の影騨を受けて術星画像がIリ』るくなっていることが考えられる.また.北緯15。付近で画像のIリlるぎが急に上がっている.それは.昼間用のセンサから夜I1IIIMのセンサに切り糠え患時ノヒじた影騨と考えられる.一ヵ.霊の影騨はNRF処理により除去きれ,ノj光の彬聯による281」AIj期の成分は周波数が尚いため偵流成分に磯らず.2811剛Ulの成分として分離される.なぜ倣流成分に1年周jUj成分の振轆が含まれるのか,その原因を剛くるため.定?{↑光がないと考えられる閲シベリア平城(Sl:5u1.86.N.93.49'E)、1I』側タクラマカン砂淡(S238。26.薊,86。98'E)とインド洋(S3:17.417'N,91。36'E)にそれぞれ一つのサンプル地点を彼定した.サンプル範囲は1つのピクセル(1klllxlkm)にしたbFig.7に各サンプル地点におけるNRF処f!l!による時系列データの変勤を示す.1月から6ノjにかけてDN仙が大きくなり'6月から12)1にかけてI)N仙は小さくなる傾|句を持つ.また濁繊庇ほどDN仙の変肋|隅が大きくなI).l"liWUIで変動していることが分かる.好サンプル地点における時系列データの周jU勝散を
柵ぺるため,式(2)をⅢいてその近似式を求め.振'脇と血流成分の|川係を1測ぺた.Fig.8に1イI§周期成分の
よるものと考えられる.Fig.5に1-dayモザイク両倣のDN値を綴庇方lilに平均して時系列順に並べたデータにFFTによるスペクトル解析を行った結果を示す.解析結果を兇ると,3651」(1年)周期にパワースペクトルがもっとも集『IIした.そして.尚緯艇ほどパワースペクトルが商くなっている.このことから.1年周期成分のパワースペクl、ルが雌も高く、純度への依存性が満いことが明らかになった.DMSI>/OLSが研究対象地域を通過する時刻は11本時間で18;00~理:00時の間である.夏至は,18:00時に太陽がまだ沈んでないため.観測した画像は太陽放射の膨騨を受け、術塁画像の輝度が尚緯度ほど商<なることが推測きれる.このことから.1年周期の成分は太陽光の影響によるものであると考える.また.28[1周期ハリ辺に2番11に大きいパワースペクトルが現れている.これは.ノ1光の影聯による28日周期成分とぢえられ為.まとめると.l)DMSPノOLS夜間画像には太附光による1年ノ"1Ulの成分と月光の影響による28n周期・の成分が街まれる,
2)1ffIM期成分にパワースペクトルが蚊も蝶II1し.l)MSP/OLS夜11M画像に与える影騨が厳も大きい.
3)l年刷jリj成分のパワースペクl、ルは価紳腿ほど尚<なる.
という3つの締果が郷られた.(kil1lilli隙に念まれる太陽光と月光の影稗による成分が刷則的に変伽していることから.各周期成分を周波数ごとに分離することによって定辮光を袖ll1することができる.3.4定常光の抽出3.4.1直流成分の特徴大|鮎光による1年周期成分が夜Ⅲ而像に与え為影響が
雌も大きいことと.練度への依存性があ為ことからl年
7(rE 91)。E 110oE 13()UE 150。EI55.X ↑
幅gN
35sN
2扁冒N
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Fig6Im"eoflh@nml)litUdeOflyem・cycle"mponenl
25
胡斯物1翼I・原政直・岡田周平・八木浩・神武寛典・直水和弘・西尾文彦
200振輔と直流成分の関係を示す.サンプル地点では.定常光がないためそのDN価が一定の低い値を持つと考えられる.しかし.l・dayモザイクデータセットによる解析紬染から太陽光による1年周期成分の影柳を受けてサンプル地点のDN仙も1年周期で変動しており.その影響で直流成分も尚〈なっていることが分かった.したがって,定常光を杣IIIするにはlfi流成分に残っている1年周期の成分を除去する必奨がある.3.4.2定常光の抽出lf[流成分の1曲j像から1年周期成分を収I)
除くため,それぞれのDN仙の将微を鯛べた.尚,!I I ,低緯度で取った3つのサンプル地点に加え,都市の光が脇恕できる北海遮札幌巾周辺(S4:43。4'N、140。54'E)に1つサンプル地点を追加した.Tilble2にその結果を示す.太陽光の影郷による1年刷期の成分が高緯度ほど尚くなるが.lfl:流成分と1年周期成分の振柵の嬢分を取ることによりその影響を除去し,定常光を杣川することが出来る.そこで.衛星画像処理ソフトERMapper
7.1(LeicaGeosystemsInC.)を川いてif(流成分の画像と1年周期成分の振りMの11hi像(98“×6"Oピクセル)をそれぞれ2つのレイヤーを持つlファイルとして保イfした.次に,Imlじピクセル位慨におけるifl:流成分の脳i像のDNから1年周期成分の振輔I山i像のDNを引いて.定常光の曲i像をIIIIII1した.Fig.9に定常光の抽出処理のフローチャー
トを'』§我1999年のDMSP/OLS.vISの全てのデータを用いて.研究対象地域におけるldilyモザイク画像を作成した.lOdayMVC(MaximumValueComposition):祇法を川いてモザイク両像を合成し、1年llllで36枚の合成IIhi像を作成した.介成した時系列データにNRFをかけて直流成分.lイI州l9j成分と他の周期成分を抽出し、lf(流成分とlイFI'M期成分の振幅の差分を取って定常光を杣川した.Fig.10にlf[流成分と1年IAIIUI成分の振
柵の鑛分により抽出した定'附光のI由j慨を,J為す.lf[流成分の画像に比べると,太陽光による成分が削除され,研究対象地域の夜lHlの光分布が鮮明に見える.Fig.IO(b)の北海辿liW辺の拡大した画像から分かるように.定常光が抽出され.他の川lリl成分が削除されていることが確趨できる.研究対象地域は55。Nまでになっている
が.定常光の抽出手法を令球に適"Iする場介.55.N以北の商緯度地域では.奥争の
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F e b A p r J u n A u g O c t D e cDate
Fig.7Thechilllgcofcllr()nologicalorderdatabytheNRFpr()"ssillgateach"mplel)()illl(Sl:W"tSiberiaPlain・S2:'raklamllkanDeSertChina.S3:Indi&II10"an).
200
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12!夜による影拶は鯵えられる.しかし.白恢の影聯によあ成分も1年周期で変肋するため.直流成分とlfl剛Ⅲ成分の振幅の差分を収ゐことで.その影瀞を取り除くことがIM来ると考える.
地点における砿流成分のDN値と1年周期成分のDN"を求めた綣果.l斑流成分と1年周川成分の維分を収あことにより定撚光をIIII州することが出来ることがlリlらかになった.そこで.NRFによ'ソ抽出したI1I流成分と1年周期成分の鑛分を取り.定術光を抽出した.よって,KRFを用いて杣川した画像から太陽光の間"I的変動成分を除去することによって.NRFのみの処’l!により改善された詰果がi$られた.今後,定瀧光の杣lⅡ手法を全球に適用するには.複数年分のデータを川いて解析を行うことと.55・N以.lこの高純度地域では.翼季のI曇I夜による胤辮を被ii"-る必要がある.
4.まとめ1999年の1年1lllのDMSP'OLS-vISの全ての術雅データを"Iいて作成した10・dayMVCデータにNRI矛をかけてl蛎施成分とl"II1IIAIIIIの成分.他の周期の成分を抽出した.しかし,1IMIしたlfX流成分には定稚光の他,他の成分が舎まオLていることが陥認された.そこで.12I111WWi像におけるランダムなノイズと火I珊光,月光の影瀞による周期成分を解析するために1・d&lyモザイクデータセットを作成した.”110枚のモザイクデータを川いて1年問のDN値の平均夜1IIIIIhi像を作成L.時IIU進化におけるスペクトル解折を行った.その誌果、OLS.VISの役IIIIIWli像に大鵬光の影聯による1年間川の成分とⅡ光の影柳によあ1ケ!l(2811)MUlの成分.他のランダムなノイズが含まれていて.lイ剛I期の成分の夜間阿惚に与える影柳が雌も大きいことが分かった.そこで.NRFにより抽出した臓流成分に念まれる成分はkI瑚光の影獅による1年卿期成分であることが分かった.NRF処理によるl聯系列データにおいて.".!1'.低榔喚でそれぞれ1つのサンプル地点を取り,1f[流成分と1イ15MIIUI成分の1M係をj卿ぺ.!IM流成分に1年周M1成分が念まれる服IXIを解IリIした.また.商.巾.低紳庇で取った3つのサンプル地点に〃llf.定柑光が碓i腿できる.tW"n札|眺市胤辺で1つサンプルj也点を収ル)、杵サンプル
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IWIIWiWJIxI・脈政III:.IMilllルi,l,14・八木機・神武寛典・血水和弘・西尾文彦
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謝 辞データ処理と解析に2'iたって.IIj塚ll{彦氏(株式会社
ビジョンテック).北IIIW暁氏(T・典火'.jJ:火ザ:1塊).浮III仏郎氏(新渦大学),IIasiB&職Ⅱ'氏(束Ⅱ(大学JSI'S狩別研究貝)に協力をいただきました.文援をIIMつたIM係行位に厚く御礼をlllし上げます.
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ExIractionofstablelightfromDMSP/OLSnight-timeimage.
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