2001 年３月 APA No. 78-6 財団法人日本測量調査技術協会沼田洋一＊１．研究の目的田村正行＊＊ーザプロファイラによる地形・森林計測をおこなっ近年、地球温暖化が大きな社会問題となっている。た。その結果を現地の状況と比較検討したところ、森森林は地球温暖化の主な要因である二酸化炭素を固定林の形状がよく把握されていることがわかった。ただする機能があるため、森林バイオマスを広域にわたっし、これを実測値と比較検証したところ、定量的にはて評価することは地球温暖化を予測する上で重要な課必ずしも十分な精度が得られなかった。しかし、これ題である。広域の森林バイオマスの評価に際して樹高は実測値にも原因があるため、今後、検証方法を改善は重要なパラメータであるが、これまでその測定は航することにより、より高い計測精度が示される可能性空写真測量に頼らざるを得ず、十分な精度が得られながあると考えられる。かった。また、樹高はこのような地球環境分野のみでなく林３．レーザプロファイラの計測原理業における森林管理の場面でも重要な要素であり、そ図１にレーザプロファイラの計測原理の概念図を示の方面でも、やはり効率的かつ高精度な測定方法が望す。このように、レーザプロファイラとは航空機に走まれていた。査式レーザ測距儀、GPS および IMU(Inertial そこで、最新の測量技術である航空機搭載レーザプ Measurement Unit)を搭載したものである。航空機のロファイラによって広域の樹高計測手法を確立するこ進行と垂直方向にレーザ光が走査されるので、飛行ととを目的として研究をおこなった。ともにジグザグ状に地上フットプリントが並ぶことになる。各フットプリントには、GPS による航空機の２．研究の概要３次元位置データ、IMU による航空機の姿勢や方向レーザプロファイラは、航空機に搭載されたレーザ計測装置であり、地表面の形状を面的に計測するものデータ、およびレーザによる対地距離データを合わせることで、地理座標（x､y､z）データが付与される。である。森林地帯ではレーザ光が樹冠と地面それぞれレーザ光のビーム径はきわめて細く、例えば対地高から反射されるため、それらの高さデータの差し引き度 1,000m でも直径 30cm 程度である。そのため、森により樹高分布を面的に計測することができる（高槻林地帯でもわずかな樹冠の隙間を通してレーザが地面ら 1999）。しかし、そのような事例はまだ少ないたに到達する（図２断面図例を参照）。これにより、地め、手法の検討と計測精度の検証をおこなった。面と樹冠の両方を計測することができる。計測に先立って、的確な計測条件を検討するために簡易なシミュレーションをおこない、必要なフットプ参考までに本研究で使用した ALTM1020（カナダ OPTECH 社製）の主要な仕様を表１に示す。リント（レーザが照射された点）の密度を検討した。そして、その結果を踏まえてテストサイトにおいてレ ― 52 ― 図１レーザプロファイラ計測原理の概念図図２レーザプロファイラによる森林計測結果の断面図例 ― 53 ― 表１ ALTM1020 の主要な諸元図３ワイヤーフレームで表現した森林モデル形状４．シミュレーションによる最適なフットプリント間隔の検討 4.1 し、かつ地表面にも地形形状があるため、ある程度不規則な並びになる。そこで、ここではモンテカルロ法シミュレーション手法を採用して、フットプリントの水平位置(x, y)をそれ（１）森林モデルぞれを乱数で与えることとした。フットプリント間隔個々の樹木の大きさや形状は、樹種，林齢，生育条は、一定面積に照射するフットプリントの個数によっ件などで異なる。さらに、実際の森林は混交状態であて調整し、0.5，１，２，３，５，10m の６通りに設ることが多いため、多様な大きさ・形状の樹木の集合定した。なお、各フットプリント間隔それぞれ 1 回づ体であると考えられる。しかし、ここでは簡単のためつの計算では、偶然性による結果の偏りが危惧されるに理想的なモデルを考えて、個々の樹木は同一形状のため、４回づつ計算をおこなった。樹木の本数は 25 円錐形で与えることにした。円錐の高さ、底面の直径本で与えているので、これによりそれぞれ延べ 100 本および森林内での密度は、現地の林分状況に近い値でずつのデータで精度評価をおこなえるので、サンプル与えている。表２に森林モデルの各パラメータ、図３数としては妥当と考えられる。に森林モデル形状をワイヤーフレームで表現したもの（３）精度評価手法を示す。樹冠（計算上は円錐の側面）にあたったレーザ光は、（２）レーザプロファイラ計測モデルそれ以上透過せずにそこで全て反射されて検知されるフットプリントは、機体の揺れなどがない理想的なものとする。これにより、照射された全てのフットプ飛行条件で、地表面が水平かつ平坦であれば、単純なリントによって森林の形状が与えられることになる。ジグザグ線上にほぼ等間隔で並ぶことになる。しかし、ただし、レーザは必ずしも樹頂には照射されないため、実際には機体はロール・ピッチ・ヨー角が常に変動そのままでは真値と比較することができない。そのため、ランダムなフットプリントをもとに TIN 表２森林モデルのパラメータ (Triangulated Irregular Network)を発生させ、樹木（円錐）の中心位置に対応する TIN 上の高さをもってレーザによる樹高計測値とし、それとあらかじめ設定された値を比較することで樹高計測精度を評価した。その際、地形は標高ゼロで平坦であると仮定している。４．２シミュレーション結果 ― 54 ― 図４ a)∼ f)に、６通りのフットプリント間隔で計算リントがあれば、多少は樹頂の形状が丸められることして求められた森林形状の例をワイヤーフレーム図でがあるものの、ほぼ正確に森林形状を再現できること示す。実際にはそれぞれ 4 通りずつの図が生成されてが示された。いるが、森林の表現性能は視覚的にいずれも同等であった。このように、２ m 四方に１点程度のフットプ次に、それぞれのフットプリント間隔での計算結果図４シミュレーションにより再現された森林モデル形状の例 ― 55 ― 図５フットプリント間隔に対する樹高計測 RMS 誤差図６モデルによる最大誤差の違いの概念図について、延べ 100 本の樹高計測精度を RMS(Root 台地となっている。また植生としては、広葉樹林主体 Mean Square)誤差で評価したものを図５に示す。定の自然林の中に人工的にコントロールされた広葉樹性的には２ m 四方に１点で十分と考えられたが、そ林，針葉樹林が明瞭なパターンで分布しているため、の条件では、このように定量的に約５ m という大き本研究のテストサイトとして適している。さらに、そな計測誤差を示す。この誤差は、フットプリントが必の一画に高さ 25m、アーム長約 40m のゴンドラがあずしも樹頂に照射されず、その周囲に照射されたものり、その回転半径内の樹高が計測されている。そこで、から内挿して樹高を求めているために発生するもので演習林内約５ km 四方を対象として計測をおこなったある。つまり計算上、樹冠層の最低部と樹頂部の高度上で、ゴンドラを中心とする半径 40m の円内（以後差分の誤差が発生し得る。本モデルでは簡単のため、検証用サイトと称する）で計測精度の検証をおこなっこの差が樹高と等しく与えられているが、実際には樹た。なお、ゴンドラ周辺は広葉樹主体で、樹高は約５冠層は樹木の中間から上部にかけて位置するので、こ m から 25m 程度である。れよりは誤差は小さいものと考えられる（図６参照）。例えば、樹冠層が樹木の上部 1/2 程度、樹冠形状の凹凸などから許容される RMS 誤差を２ m と仮定すると、グラフ上では２倍の４ m となり、必要なフットプリント密度は約 1.5m 四方に１点ということになる。そこで、計測にあたってはフットプリント密度が約 1.5m 四方に１点程度となるように計画することにした。５．レーザプロファイラによる樹高計測手法の検討 5.1 計測方法（１）テストサイトテストサイトは北海道大学苫小牧演習林である（図７参照）。地形的には標高 100m 以下の比較的平坦な図７ a) テストサイト位置図 ― 56 ― よる機体の姿勢や方位データおよびレーザ照査方向の対地距離データである。これらを統合してフットプリントごとの(x,y,z)データを求めた後、落葉期データに関しては統計的な手法により地形を表すデータのみを抽出した。繁茂期データに関しては上記手法により求められた(x,y,z)データを全て使用した。次に、ランダム点データであるこれらフットプリントの(x,y,z)データをもとに、落葉期・繁茂期それぞれのデータから TIN を発生させた上でメッシュ化し、その差し引きによりテストサイト全体の樹高メッシュ図を作成した。ただし計測精度検証に際しては、繁茂期のフットプリントの高さデータから、そのフットプリント水平位置に相当する落葉期データの TIN の高さデータを差し引いたものをもって樹冠形状を表すデ図７ b) テストサイトの樹冠の状況ータとした。そして、それを実測による樹木位置から一定の範囲内にあるこれら樹冠形状データの統計値と（２）レーザプロファイラ計測条件比較することにより、計測精度を評価することにした。計測は、1998 年 11 月上旬（落葉期）に地形計測を主目的として１回、1999 年 7 月下旬（繁茂期）に樹冠この理由は、下記のような水平位置の不確定性があるためである。計測を目的として１回おこなわれた。主要な計測条件を表３に示す。・メッシュ化したデータどうしの差し引きでは、本なお、表の中で対地高度が 1,070m と 500m の条件来の樹木の位置とは異なる位置で樹高が計算されの測点間隔が等しくなっている（2.0m）が、これはる場合が多い走査幅や対地速度その他のパラメータによってフット・樹高実測データの樹木水平位置（根本で測定）とプリント間隔を調整しているからである。このように、樹頂の水平位置が異なる地形計測・樹冠計測ともに、約 1.5m 程度のフットプ・レーザが必ずしも樹頂にあたるとは限らないリント間隔を確保した上で計測をおこなった。表３主要なレーザプロファイラ計測条件５．２データ処理方法レーザプロファイラにより取得されるデータは、レーザ照射時の、GPS による機体位置データ、IMU に図８レーザプロファイラによる地盤標高と三角点等の比較 ― 57 ― 5.3 計測結果おり、良好なデータが取得されていることが確認されまず、レーザプロファイラによる地盤標高の計測結た。果と、三角点ならびに GPS 測量で求めた基準点標高の比較結果を図８に示す。RMS 誤差は 28cm となって次にテストサイト全体の樹高メッシュ図を図９に、また拡大図を図 10 に示す。このように、人工的な林図９テストサイトの樹高メッシュ図（全体図）（黒枠は図 10 に示した拡大図の範囲） ― 58 ― 図 10 テストサイトの樹高メッシュ図（拡大図）班のパターンや北東∼南西に向けて走る 2 本の送電線間にかけてのパターンがよく一致しており、ローカル下の伐開線、その他のパターンが明瞭に表されており、なスケールで見ても森林形状をよく捉えていることが全体的な森林形状が的確に把握されていることがわかわかった。った。次に、樹高実測値とレーザプロファイラによる計測さらに詳細に樹高計測結果を評価するため、検証用値を定量的に比較した結果を図 13 に示す。その際のサイトの上空からの写真を図 11 に、また同サイトの比較方法は 4.2 節で述べた通りである。なお、レーザ樹高計測結果を図 12 に示す。図 11 の赤線はタワークデータの参照範囲は実測位置の周囲半径２ m の円内レーンの回転範囲であり、この円内の樹高が実測されとし、統計値としては a)単純平均値および b)最大値ている。なお、図 12 は図 10、11 に示したメッシュ図を採用した。半径２ m の範囲としたのは樹冠の代表とは異なり、前述のようにレーザのランダム点に基づ的なスケールであると考えたことによる。また上記範くものである。このように、高木から低木，樹冠の隙囲内の平均値に加えて最大値を採用したのは、レーザ ― 59 ― が必ずしも樹頂に照射されないことから、範囲内の最大値が最も樹高に近い値を示す可能性があると考えたからである。評価の結果、RMS 誤差はそれぞれ 6.1m および 9.0m であった。このように、いずれの場合もばらつきは大きいものの、半径 2m の範囲内の平均値を採用した場合の方が精度が高いことがわかった。図 11 検証用サイトの上空写真図 12 検証用サイト周辺の樹高計測結果 ― 60 ― 図 13 樹高実測値とレーザプロファイラによる計測値の比較 ― 61 ― ６．考察もっと高い樹高計測精度が示されるものと考えられ 6.1 る。範囲内の統計値のとり方について図 13 に示したように、実測値との比較に際して、半径２ m の範囲のレーザプロファイラ計測最大値よ７．まとめりも平均値を採用した方が計測精度が高い。これは、レーザプロファイラによる広域の樹高分布計測手法周囲に実測対象木よりも高い樹木がある場合、範囲内やその精度を検討した。簡易なシミュレーションによの最大値では単純にその高い樹木にあたったフットプって適切なフットプリント間隔を検討したのち、実際リントのデータを採用してしまう場合があるためであに樹高計測をおこなって実測値と比較した。る。したがって、樹高が一様な群落の場合は最大値のシミュレーションに関しては、必要なフットプリン採用が適していると考えられるが、本テストサイトのト密度を概略で評価にするには十分意味があるものとように樹高のばらつきが大きい場合は、全体としては考えられるが、森林モデル（本モデルは針葉樹に近い）最大値よりも平均値の方が適していることがわかっやレーザプロファイラ計測モデル（実際にはランダムた。ではなく、ジグザグ状からのゆらぎで与えられるべきである）の与え方、樹冠でのレーザ透過などを考慮し 6.2 計測精度についてて、さらに改善する余地がある。前節で示したように、範囲内の平均値を採用してもまた、樹高計測に関しては、定性的には広域の樹高樹高計測精度は RMSE 約６ m と低かった。この原因分布を的確に表しているが、定量的には RMS 誤差がとしては下記のようなものがあげられる。約 6m であり、やや大きいことが確認された。しかし、 ①フットプリント位置の誤差（水平：対地高度定量評価する際の基準となる実測データにも精度上の /1,000，垂直:15cm）や地形計測誤差が影響して制約があり、実際の計測精度はこれよりも高いことがいること。予想される。今後、検証を目的としたデータを取得し ②約 20m の幅でばらついている樹高を、基本的には樹頂の周囲の値から内挿して求めていること。て、正確な樹高計測精度の評価をおこなっていく必要がある。 ③レーザ光は必ずしも樹冠表面のみで反射されるとは限らず、ある程度樹冠内部で反射される場合も謝辞あること。本研究で使用した樹高実測データ等は、北海道大学 ④実測データの樹木の水平位置と、樹頂の水平位置にずれがある（実測の際の目的が本研究と異なり、苫小牧演習林の日浦勉氏よりご提供いただいたものである。ここに謝意を表します。樹頂位置と実際の樹木位置が正確に一致している必要がなかったため）こと。経験的には７∼８参考文献 m 程度の誤差は十分にあり得る。 1）高槻幸枝,田村正行,沼田洋一，“レーザープロファイラこれらのうち、①∼③は本手法に必ず付随するものーによる樹高計測実験−森林バイオマス推定の基礎デであり、全て解決することはできないが、フットプリータとして−”,日本リモートセンシング学会第 27 回ント間隔をさらに小さくすることである程度改善できると考えられる。また、④は精度評価のための基準デ学術講演会論文集,251-252,1999. 2）高橋博将，豊山孝子，“レーザープロファイラーを用ータに起因するものである。水平位置の７∼８ m もいた地形計測の精度検証”，APA, No.73-6, 48-55, 1999. の誤差は、樹冠の中心から周縁部、場合によっては樹冠からはずれたり隣の樹木にかかったりするだけの幅（＊アジア航測株式会社）を持つため、比較検証自体が正確さに欠けることにな（＊＊環境庁国立環境研究所）る。さらに図９，10 に示したように全体的な樹高分布が的確に捉えられていることも加味すると、仮に本研究目的に合致した基準データで精度を評価すれば、 ― 62 ―