3次元レーザースキャナを搭載したドローンを用いたレーザー計測による森林地形と樹高の抽出およびTLSとの比較

誌名誌名 森林利用学会誌

ISSNISSN 13423134

巻/号巻/号 333

掲載ページ掲載ページ p. 169-174

発行年月発行年月 2018年7月

農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センターTsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research CouncilSecretariat

森利誌33(3) 2018

速報

169 ~ 174

3次元レーザースキャナを搭載したドローンを用いたレーザー計測による

森林地形と樹高の抽出およびTLSとの比較＊

山場淳史＊＊• 渡辺豊＊＊＊・ニ谷卓＊＊＊• 佐野俊和＊＊

山場淳史・渡辺豊・ニ谷卓•佐野俊和： 3次元レーザースキャナを搭載したドローンを用いたレーザー計

測による森林地形と樹高の抽出および TLSとの比較森利誌 33(3) : 169 ~ 174, 2018. 最近になって

UAV向けにデザインされたレーザースキャナをドローンに搭載したレーザー計測サービスが始まりつつあ

る。本研究は LSを搭載したドローンによる森林計測により．地形と樹高の抽出可能性を地上型レーザー計

測 (TLS)結果との比較において検証・考察することを目的とする。広島県廿日市市吉和地内の民有スギ林

約 6haをルーチェサーチ株式会社「SPIDER-ex」で計測した。その結果，地形についてはドローンと地上

型との DTM値の差分は概ね士 lmの範囲内であったが深い谷部でのスパイクがTLSのほうが多かった。

また樹高については，梢端部抽出で用いる際の DSMが解像度50cmの場合で最も TLSと近い抽出結果と

なった。今後は TLSとドローン計測の連携による運用を検証する必要がある。

キーワード： UAV, DSM, DTM, 針葉樹人工林．施業計画

1. はじめに

UA V (Unmanned Aerial Vehicle) は有人航空機や人

工衛星と比較すると低コストで頻繁な運用が可能であり

（鈴木ほか， 2016). 既に空撮や測量での利用が始まって

いる（鈴木， 2017)。近年，特に UAVの中でも多蔑で安

定した自律飛行が可能なドローン (Drone) をプラット

フォームとして， さまざまな森林計測が行われるように

なった（古橋 2017)。そこで最近特に注目されるのは，

ドローンに 3次元レーザースキャナ（以降レーザースキ

ャナとする）を搭載して上空から森林の表面だけでなく

内部も併せて計測する手法である。

森林の航空レーザー計測 (ALS:Airborne Laser

Scanning) については研究レベルから実務レベルでの活

用段階に入っている（大野， 2015)が，新たに高密度で

有人航空機によるレーザーデータを取得するには多大な

費用がかかる（加藤， 2015)。他方， ドローンにレーザ

ースキャナを搭載するにはその重量とドローンのペイロ

ードとの関係が課題であった。

最近になって UAV向けにデザインされたレーザース

キャナがリリースされるようになった (Pilarskaet al,

2016)。実際にこうしたレーザースキャナを UAVに搭載

2017年11月10日受付， 2018年4月27日受理

して広範囲の森林を計測した事例の論文も見られるよう

になった（例えばKhanet al, 2017)。国内でもドローン

によるレーザー計測サービス開始の告知をする企業が増

えてきているが，森林域での計測は学術研究ベースで試

験的に行われているのがほとんどである。

本研究はレーザースキャナを搭載したドローンによ

る森林計測による地形と樹高の抽出の可能性を地上型レ

ーザー計測 (TLS:Terrestrial Laser Scanning)結果との

比較において検証・考察することを目的とする。

なお，本研究は広島県および愛媛県今治市が2015年

12月に国家戦略特別区域法に基づく地域指定を受け，特

定実験試験局制度（電波法）特例を活用した実証試験の

成果の一部をもとにしたものである。この特例となる 5

GHz周波数帯の高精度映像伝送は， レーザー計測実施前

の飛行ルート確認用に用いられた。

2. 試験地と方法

2.1試験地の概要

試験地は，広島県西部の山口県境近くに位置する廿日

市市吉和地内の民有林約 6haである（図ー 1)。

標高はドローンの離発着地の最低 700mから山腹斜面

連絡先 (Correspondingauthor) : 山場淳史 (AtsushiYamaha) E-mail: a-yamaba86250@pref.hiroshimalg.jp

• Extraction of forested terrain and tree height by using a 3D laser scanner mounted on a drone in comparison to TLS.

•• Atsushi Yamaha and Toshikazu Sano 広島県立総合技術研究所林業技術センター Hiroshima Pref. Tech. Res. Inst For.

Res. Ctr., Miyoshi 728-0013

••• Yutaka Watanabe and Suguru Futatsuya ルーチェサーチ株式会社 Luce Search corp. Hiroshima 731-0152

170

上部森林の最高 900mとなる。

計測対象区域の林況は，主にスギ60年生前後であり，

一部ヒノキ 50年生の林分が含まれる。立木密度には区

域内で差異があり，特に斜面下部のスギ林は 2016年 3

月に定性間伐を実施しており比較的大径で林分密度が低

め（約 600本/ha), 逆に斜面上部の急傾斜域では立木

密度が高く径級が比較的低い。

なお， この林分は株式会社 woodinfoにより 2014年8

月 (2日間）に TLS(分解能 1/2に設定した FARO社

製Focus3DXl30を使用）によって約 20m間隔で精密

に計測が行われ，同社の立木情報解析ソフトウェア

Digital Forest (バージョン 1.0.2.0) により生成された立

木単位での地理情報データ（属性データとして座標位置

樹高胸高直径等が内包）と 2mメッシュ DTMが整備

されている (2016年の間伐も反映済み）。

2.2計測方法

使用するドローン機材は，ルーチェサーチ株式会社が

開発した「SPIDER-eX」（図ー 2)で，機体重量 9.1kg,

図ー 2 計測に使用した SPIDER-eX

J. Jpn. For. Eng. Soc. 33 (3) 2018

機体サイズ110x 110 x 70 cm, 総搭載重量24.5kgである。

RIEGL社 VUX-lUAVを搭載し，モータ駆動により 15

分飛行可能である。

計測条件は，対地上高 150m, 速度 3misで飛行し．

レーザー照射数（設定値）は 38万点Isとした。上記飛

行条件かつ 380kHzで直下平面照射の理論値は 9.3cm

となる。

航行経路は図ー 1のとおりである。今回は対地上高を

高く設定せざるを得なく点密度が不足する可能性があっ

たため，通常のラインだけでなく旋回して重複照射エリ

ア（図ー 1内に黒太線斜線塗りで表示）を設定した。こ

のエリアの地表面の点密度は多い箇所で 63点／面と評

価されたが，樹冠部に遮られるなどの影響により 10点／

吋前後と ALS同等の箇所も局所的ではあるが見受けら

れた。

なお，現地踏査およびGCP設置（対象区域内 3箇所

をニコントリンブル社製 TrimbleRlOにより絶対座標計

測）は 2016年9月13B, ドローンレーザー計測は同年

11月2日に行った。計測体制はオペレータ，無線通信補

助および基地局管理の 3名であった。

2.3解析方法

まず点群解析ソフトウェア RIEGL社 Riprocess(バー

ジョン 1.4.2) を用いて計測エリア全体の l m間隔 DTM

(Digital Terrain Model) ポイントシェープファイル

(pshp) と25cm間隔 DSM(Digital Surface Model)

pshpを生成した。

地形については，l m間隔 DTMpshpをTLS対象エ

リアでクリップしたうえで. TLS成果の DTMラスタ解

像度 (2m メッシュ）に合わせてリサンプリングしつつ

ラスタ化 (QGISバージョン 2.18のラスタ補間プラグイ

ンを使用）し．両者の差分を計算・図化した。

樹高については各pshpをドローンの航行経路が重

複するエリア（図ー 1の航行経路参照）となる 1.51ha

の範囲でクリップしたもの（それぞれD-DTM, D-DSM

とする）を解析に供することとした。

樹高計算方法は，次のとおりとした。まず D-DSM

pshpをQGISのラスタ補間プラグインを使用して 25

cm, 50 cm, 75cmの3種類の解像度にリサンプリング・

ラスタ化したものを用意し，それぞれの DSMラスタを

用いて梢端部抽出 (Microlmages社 TNTmips proバー

ジョン 2010の地形的特徴点抽出メニューを使用）を行

った。解像度が25cmと70cmのラスタについては空間

フィルタの設定をデフォルト (3列 X 3列），解像度 50

cmのラスタについてはデフォルトとフィルタサイズ設

定を大きめ (5列 X 5列）にした条件（以下これを 50

cmFLとする）で抽出を行った。これにより異なる 4種

類の解析結果を得た。

そのうえで梢端部位置における D-DSMとD-DTMの

差分（すなわち DCHM:Digital Canopy Hight Model)の

数値を樹高とみなした。さらに同一エリア内での TLS

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による算出結果を真値とみなして，それぞれ樹高階級別

本数の比較を行った。

なお，地理情報データの編集には ESRI社 ArcGIS

Desktop (バージョン 10.0Service Pack5) も使用した。

3. 結果と考察

3.1地形

ドローン計測およびTLSにより得られた 1mコンタ

ーを図ー 3に， 2mDTMラスタによる両者の差分 (TLS

値からドローン値を減じた数値）を図化したものを図一

4に示した。

差分のヒストグラム（図ー 5)から分かるように， ド

ローンと TLSで差がないセルは全体 16037のうち 11526

セル（全体の 71.9%)であり，プラス 1m (1848セル，

11.5 %)とマイナス 1m (467セル， 2.9%)を合わせる

と全体の約 85%で地形の表現で両者に大きな差異はな

いと評価された。

ただし，特に計測対象区域の端に近い，あるいは計測

箇所から見て計測対象とは反対側の深い谷部地形で突起

状の等高線（その形状からスパイクとも呼ばれる）が局

所的に目立つのは TLSのほうであった。

これは計測により得られた点群のうち地表面とは異な

る対象物に反射して得られたものがノイズとして DTM

に入り込んでしまったものやレジストレーションの際の

171

エラーなどに起因する現象でありレーザー計測には一定

程度見込まれるものである。通常．極端にエラーと認識

できるものは DTM生成過程でフィルタリング除去され

るが，計測地点網の外部では機械的に除去されずに残っ

たものが一定数あり，逆にフィルタリングの閾値を下げ

ると点密度が低いためうまく地形が表現されないという

ことが関係していると推察される。こうした現象は例え

ば集水域の水文解析を行うような場合には支障になる場

合があると予想される。

このように，森林内の地形の把握については， ドロー

ンによるレーザー計測は TLSと同等の成果が得られる

と評価できた。 もちろん TLSの計測地点網内部で十分

な点密度があればドローンよりも TLSのほうが精度的

に有利であるのは当然である。しかしながら，先に述べ

たスパイク処理などの問題も含めた作業効率や単位面積

当たりでのコスト（搭載可能なレーザー計測機器が近い

将来安価になることが前提）の観点からは， ドローンの

優位性が高くなる場面もあると考えられる。

3.2樹高

それぞれの DSM解像度・フィルタサイズで計算され

た樹高の階級別ヒストグラムを図ー 6に示す。なお， こ

の図では TLSでは得られず現地でも確認されなかった

18m以下の計算結果は除外してある。除外されたものは，

梢端部抽出箇所のエラーに加え，もともとの DSMおよ

0 50 I Im

0 50 I Im

図ー 3 ドローンおよびTLSの計測により抽出されたコンター (1m)

172 J. Jpn. For. Eng. Soc. 33 (3) 2018

0 50 I Im

0 50 I Im

図ー 4 ドローンおよびTLSの計測により抽出された DTMの差分の地理的分布

（注）標高について TLSからドローンを減じた結果をプラス （上図）マイナス （下図）に分けて表示。

びDTM両方のノイズなどのエラーにも起因するものと

考えられるが参考までに各解像度・フィルタサイズご

との 18m以下の検出数と割合もグラフに表示した。

ヒストグラムの形状はどの解像度・フィルタサイズで

も概ね TLSの成果と同様の分布傾向となった。 しかし

ながら，最頻値の 26mの立木本数で比較すると，TLS

12000

10000

8000

6000

4000

2000

゜-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

差分(m)

図ー 5 ドローンおよびTLSの計測により抽出された DTM

の差分のヒストグラム

では 294本なのに対し解像度25cmでは 530本と明らか

に過検出となった一方で，解像度 75cmでは 191本とか

なり過小となった。

TLSと最も近かったのは解像度50cmで26mの立木

本数は同一の結果となり全体としても TLSより 1割

程度過大であった。ところが，解像度 50cmFLでは 26

mの立木本数は 220本であり全体としてもやや過小とな

った。

このことから，成熟したスギ林において，今回のよう

な計測条件では，解像度50cmのDSMが梢端部抽出に

適しており，やや過大ながらも TLSを真値とする実際

の立木本数と同等の結果が得られた。ただし，抽出処理

時のフィルタサイズの設定によって結果に影響すること

に留意が必要であると言える。

4. おわりに

既に農業分野では稲作においてはドローンで農薬散布

されることが普通になりつつあり，林業の分野でもドロ

ーンが活用されていくと予測されている（野波 2017)。

しかしながら， ドローンを活用した技術が特に森林利用

分野で有用とされるためには，実際の現場ニーズに対し

どの程度の精度や効率化が見込まれるかの実証研究を重

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ねなくてはならない。

本論文においてはレーザー計測におけるドロ ーンと

TLSを比較してどちらかの優位性を決定づけることは目

的としていない。むしろ，計測の目的や対象範囲に応じ

てそれぞれの特性を理解し，用途に応じて使い分ける必

要があると考える。

今回の結果では，森林地形と樹高（本数）の抽出にお

いて， 2日間かけて計測された TLSと同等の成果を 15

分のドローン運川により得られる可能性が確認された。

このことからドローンレーザー計測は迅速かつ正確な路

網計画や間伐計画には十分活用できるであろう 。

しかしながら， TLSとは異なり，林内の樹幹の形状，

すなわち立木の価値に繋がる情報を把握するには至って

いないため，主伐時の収益予測にはドローンからの計測

だけでは不十分である。このため例えば標準地調査とし

てTLSで補完するような計測連携を検討する必要があ

る。

本論文をとりまとめる過程で株式会社woodinfoの中

村裕幸氏には数多くの有益な助言をいただきました。ま

立木数（本）

300 ] 294

＇ TLS

250 合計 914本213

196 ． 200 -j

150 ~

一一一114

':l.:. I I I I 61

＇ 22

8 • 一20 22 24 26 28 30 32 34

樹高(m)

600

530 25cm

合計 2052本500 -I

469 I I 455

18cm以下検出242本

(10.5%)

400」 I I I I I I

300 i I I 11 11 227

200 I I 11 11 n 200 -l I I

106

11 I I 11 11 11 100 -1 n 56

8 1 I゚ • I

I l I I ! I I I p • '~ ● ・-

20 22 24 26 28 30 32 34 36

173

た有限会社安田林業の安田孝氏には試験地の設定にご協

力いただきました。深く感謝いたします。

引用文献

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300

250 220 50cmFL

合計 749本

n 200 174

140 n 18cm以下検出72本150

(8 8%) r―’

100

50

In I I I I I I L1 I I n s 1

2゚0 22 24 26 28 30 32 34 36

300 • 294

250 ~ 11

221 207

n 50cm 200 n 合計 1003本

こ］ I I 11 JJ 121 18cm以下検出105本

n (9 5%) 82

50

゜20 22 24 26 28 30 32 34

300

250 75cm

191 合計 648本200 168

150 121 n n 18cm以下検出49本

100 n 80 (7 0%)

50

I .::. I I I I I I I I I I 上ヽ

5

゜20 22 24 26 28 30 32 34

図ー 6 ドローンおよびTLSの計測により計算された樹高階級別ヒストグラム

174

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