Eco-Engineering, 26（2）,45-49, 2014
短報

地上及び高所からの可搬型スキャニングライダー計測によるイチョウ群落葉面積密度分布の推定
Estimation of Leaf Area Density Profiles of Ginkgo Trees by
the Ground and High Position Measurements Using a Portable
Scanning Lidar
細井文樹、上野伸、水城秀平、大政謙次＊Fumiki Hosoi, Shin Ueno, Shuhei Mizuki and Kenji Omasa*＊

東京大学大学院農学生命科学研究科〒113‑8657

東京都文京区弥生1‑1‑1＊

The University of Tokyo, Graduate School of Agricultural and Life Sciences
1‑1‑1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113‑8657, Japan（2014年 3 月 6 日受付、2014年 3 月27日受理）

ABSTRACT
Ginkgo trees were scanned by a portable scanning lidar on the ground and at high positions above the ground. From
the obtained data, the leaf area density (LAD) profiles were estimated by voxel-based canopy profiling method. In thismethod, information of laser beam traces is represented as attribute values of voxels in a 3-D voxel array and contact
frequency of laser beams within the canopy is counted based on the attribute values. LAD was underestimated at the higher
heights for the ground measurements and at lower heights for the high position ones. The root mean square errors (RMSEs)of the LAD estimations for the measurements on the ground and at high positions were 0.84 and 0.45 m2m‑3, respectively.
The LAD estimations derived from the ground and high position measurements were combined each other to improve theLAD underestimation, resulting in the LAD estimate with the RMSE of 0.31 m2m‑3. The estimate was more accurate thanthe ones solely obtained from the ground measurements or high position ones.

Key words : Ginkgo, Leaf area density, Portable scanning lidar, VCP-method度（Leaf Area Density: LAD）がしばしば用いられる。筆1 . はじめに者らはスキャニングライダーにより得られた植物の 3 次

植物の構造と機能との関連性を明らかにするために元点群データをもとに、レーザービームの光跡に関するは、植物の 3 次元構造を正確に計測する方法が必要と空間情報を 3 次元格子点状のボクセルの属性として表現なる。近年、航空機搭載型や可搬型のスキャニングライし、そこから LAD を算出する VCP-method（Voxel-based

ダー（Light Detection And Ranging：LiDAR）が植物の 3Canopy Profiling method）を考案した（Hosoi and Omasa,

次元構造計測に利用されるようになってきた（Næsseet,2006）。本方法で正確な LAD を得るためには、十分な数

1997; Omasa et al., 2000, 2007; Lefsky et al., 2002）。 こ ののレーザービームを樹冠内に到達させる必要がある。し装置は、レーザービームを対象に向けてスキャン照射

かし、地上設置型の可搬型スキャニングライダーを用いし、その反射光を検出することで、対象の 3 次元点群画る場合、樹冠中央部や上部にレーザービームが届きにく像を効率よく、高い空間精度で取得可能である。植物のく、樹冠中央部や上部で LAD の過小推定が生じやすい

3 次元構造を表す指標の一つとして、高さ毎の葉面積密（Hosoi and Omasa, 2007）。一方、航空機搭載型スキャニ*Corresponding author : Phone: +81-3-5841-5340, Fax: +81-3-5841-8175, E-mail: aomasa@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp© The Society of Eco-Engineering（21）45

ングライダーでは、樹冠の下層部にビームが届きにくく、る。垂直方向、水平方向スキャンの角度精度は 0.009˚

樹冠下層部で LAD の過小推定が生じやすい。こうしたであった。本装置を用い、地上及び地上 10 m の高所か問題を解消するため、筆者らは、地上からの計測と高所らの計測を行った。地上からの計測は、2005 年 8 月に又は航空機搭載型のライダーによる計測の両方を行い、計測プロットを取り囲む 6 地点から、θm = 57.8°（ここそれぞれのデータから得た LAD 推定値を合成する方法

でθm はレーザービームの中心入射角であり、レーザーを考案した。この方法により、それぞれ単独に計測したビームの天頂角方向スキャンの中心角に相当する）で場合に生じる過小推定を相補うことができ、推定精度が計測したデータを用いた（Fig. 1）。ここでθm = 57.8° を向上することが示された（Nakai et al., 2009; Hosoi et al.,

選択したのは、この角度の場合、葉傾斜角分布の影響2010）。筆者らの検証により、本方法は樹高 10 m 程度のをあまり受けずに LAD の算出が可能であり（Hosoi and

ケヤキ群落にてその有効性が示されたが、それ以外の対Omasa, 2007）、葉傾斜角に起因する誤差を抑えることが象ではその有効性が示されていない。そこで本稿では、できるためである。高所からの計測については高所作

筆者らが以前対象としたケヤキよりも樹高が高く、かつ業車を用い、イチョウを取り囲む 3 か所にて可搬型ラLAD の値も大きいイチョウ群落を対象とし、地上と高イダーを 10 m の高さに上げて行った。この高さで計測所両方から可搬型スキャニングライダー計測を行い、そを行ったのは、高所作業車の最大地上高が 10 m であっ

れぞれの計測データから LAD を推定し、それらを合成たためである。θm は 90.0° に設定した。この角度は以することで、地上、高所単独計測の場合よりも LAD の前行ったケヤキの LAD 推定において、樹冠上層部から推定精度が向上するのかどうか検討を行った。

中央部の推定精度が比較的高かった角度であり（Hosoiand Omasa, 2007）、本研究でも適用することとした。こ2 . 計測対象および実測データ

れらの計測とは別に、〜 mm の距離精度と空間分解能

本研究の対象地は、茨城県つくばみらい市にある人工を持つもう一台の高精度可搬型スキャニングライダー林とした（Hosoi and Omasa, 2007）。この林地には、ス（TDS-130 L 改、 パ ル ス テ ッ ク 工 業 ） に よ り 地 上 か ら

ギ、アカマツ、イチョウ、ケヤキなどが生育していた。
また、低層にはヤブツバキやモッコクといった常緑樹が生息していた。この対象地よりイチョウ群落を選択し、その林床に 4 × 5m2 の計測プロットを設置した。実測データを得るために、可搬型スキャニングライダーによる計測後に、1 m ステップの層別刈取りにより各層のLAD を算出した。実測データから、本計測対象のイチョウ群落は樹高 15 m、平均 LAD 値 0.82 m2m‑3 であった。
以前筆者らが対象としたケヤキ群落の樹高 12.5 m、平均 LAD 値 0.57 m2m‑3（Hosoi and Omasa, 2007）と比較して樹高、LAD 値ともに高いことが分かった。

3 . 方法LAD を算出する方法として、本研究では VCP-methodを用いた（Hosoi and Omasa, 2006）。VCP-method とは樹冠を取り囲む複数のライダー計測点から樹冠にレーザーを照射し、得られたデータをもとにレーザービームの光跡及び葉の位置情報をボクセルの属性として表現し、その属性値から樹木に入射するビームの葉に対する衝突頻度を求め、そこから LAD を算出する方法である。
使用した可搬型スキャニングライダーは RIEGL 社製の LPM-25HA で、その測距原理は Time of flight 法であり、2 〜 60 m の計測範囲と± 8 mm の距離精度を有す

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Fig. 1. An illustration of lidar measurements (Modified from Hosoiand Omasa 2009). Laser beam scanning to ginkgo canopywithin a measurement plot by a portable scanning lidar
on the ground and from high positions. θm represents thecentral incident angle of the laser beam.

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イチョウ群落を計測した。得られた計測データからイから θ を算出し、さらに上述した高精度可搬型スキャ

チョウの葉傾斜角を算出した（方法の詳細は Hosoi and

ニングライダー計測により求めた葉傾斜角分布から cos

Omasa（2007）参照）。2005 年の 8 月の測定後、2006 年（θ）/ G（θ）を算出した。式（2）を用いて高さ方向に層別の 2 月に再び地上から落葉状態のイチョウ群落のライの LAD を算出した。LAD 算出値について、地上計測デーダー計測を行った。測定装置や条件は 2005 年 8 月と同タのみから算出した場合と 10 m の高所計測データのみ様であった。

から算出した場合、地上計測データと 10 m 高所計測デー

地上及び高所計測により取得したライダーデータをレタから算出した LAD を高さ 10 m を境に合成した場合ジストレーション（位置合わせ）し、共通の座標系を付について、実測との比較と誤差評価を行った。なお、地与した。その後、幹や枝などの非同化器官を LAD 計算

上計測データと 10 m 高所計測データとの合成についてから除外するため、2005 年 8 月の着葉期の点群データは、高所計測のポジションが 10 m であったため、10 mから 2006 年 2 月の落葉期の点群データを差し引いた。

以上の高さでは高所計測の方が高精度であるとみなして次にボクセル化を行った。ライダーの分解能をもとに、一個のボクセルサイズを 5 mm × 5 mm × 5 mm に設定

こちらの LAD 推定値を適用し、10 m より低い領域では地上計測データから算出した推定値を適用した。

した。得られた 3 次元点群データから、以下の式によっ４．結果および考察てボクセル座標系への変換を行う。
i=Int

X−XminΔi+1j=IntY−Ymin
Δjk=Int+1Z−Zmin
Δk

可搬型スキャニングライダーによるイチョウ点群画像+1(1)の例（地上計測）を Fig. 2. に示す。この図は各計測地点からのデータをレジストレーションした後に得られた

ここで（i, j, k）はボクセル座標を表し、Int は最も近い点群を示しており、白破線がプロット内の領域である。

整数値に値を丸める関数を示す。
（X, Y, Z）はライダー

プロット内に葉が密生している様子がわかる。また、幹データ内の座標系におけるその点の座標を示し、（Xmin,や枝などの詳細な構造も再現されていることが分かる。

Ymin, Z min ）は（X, Y, Z）の最小値を示す。（Δi , Δj , Δk）

Fig. 3. に LAD 分布の実測値と可搬型ライダーデータ

はボクセルエレメントの各辺のサイズで、（5 mm, 5 mm,からの推定値を示す。地上計測の結果は、6 m までは実5 mm）であった。式（1）によってもとの点群データか測とよい一致を示したが、それ以上の高さでは著しい過ら変換された各ボクセルには属性値として 1 が付与され小推定が見られた。一方、10 m からの高所計測では高る。次にレーザービームの全光跡をボクセル空間の中でさ 11 m 以上 15 m まで（対象木の最高点）は実測と比トレースする作業を行った。あるボクセルが少なくとも較的よい一致が見られた。それより低い高さでは、特に1 本以上のレーザービームと交わり、かつその属性が 1でない場合、そのボクセルには属性値として 2 を与えた。
各ボクセルに付与された属性をもとに、以下の式によりLAD を算出した。
LAD（h, ΔH）=cos（θ） 1

mh+ΔHn（k）
IΣ
G（θ） ΔH k=m n（k）+n（k）
Ph（2）Iθはレーザービーム入射角、ΔH は垂直方向の層の厚み、
mh と mh+ΔH は実際の高さ h と h +ΔH に相当するボク
セル座標系での高さ方向の値、n（I k）と nP（k）は k の高さにある属性値 1 と 2 を持つボクセルの数である。n1（k）（/ n（k）+n（k））の項は、レーザービームが高さ k で1p対象木に衝突した頻度を表している。cos（θ）/ G（θ）は葉傾斜角とレーザービームの軌跡長を補正する項である。
G（θ）はレーザービームの方向と直行する平面への葉の投影面積の平均値である（Norman and Campbell, 1989;
Weiss et al., 2004）。各層に入射するビームの平均入射角

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Fig. 2. A co-registered portable lidar image of the ginkgo canopy
within the measurement plot. The area enclosed by whitebroken lines corresponds to the measurement plot.

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高さ 6 〜 10 m において過小推定がみられた。地上及び本研究におけるイチョウ群落においては、以前実験高所計測から得た LAD プロファイルを合成した場合にを行ったケヤキよりも平均 LAD 値が高いため、十分なおいては、それぞれ単独の LAD プロファイルよりも過数のレーザービームを樹冠内部に到達させる点ではより小推定が改善されていた。しかし、高さ 8 〜 10 m の部厳しい条件であると考えられる。しかし、LAD 推定値分は合成した後でも過小推定が解消されなかった。このの RMSE は 0.31 m2m‑3 と以前のケヤキの 0.32 m2m‑3 と過小推定の要因の一つとして、計測プロットの周りにあ同程度であり（Nakai et al., 2009）、またケヤキの場合にる樹木が対象領域へのレーザービームの侵入を妨げ、地大きく過小推定していた LAD プロファイルのピーク部

上、高所どちらからの計測であっても、レーザービー分についても本研究の場合（高さ 13 m に相当）ではケムを樹冠内部に十分に到達させることができなかった

ヤキの場合と比較すると誤差は小さかった。こうした可能性が考えられる。算出された LAD の二乗平均平方

結果になった一つの要因として、ライダーの設置点の違根誤差（Root Mean Square Error: RMSE）は、地上計測

いが考えられる。本研究対象のプロットサイズ（ 4 m ×で 0.84 m2m‑3、高所計測で 0.45 m2m‑3、これらの合成で5 m）は以前のケヤキの場合（4 m × 8 m）よりも小さ0.31 m2m‑3 であった。二つの計測から得た LAD を合成くなっており、そのため本計測における群落中心部と各した場合が最も高精度となった。

ライダー設置点との距離はケヤキの計測の場合より短く

Fig. 3 に示すように、地上計測では樹冠下層部の、高なる。群落中心部と各設置点との距離が短くなれば、そ所計測では樹冠上層部の LAD 推定精度が高かった。ラの分、群落内の葉や枝に衝突して途中で失われるレーイダー設置点から近い部分（地上計測では樹冠下層、高ザービーム数が減り、群落内部にビームが届きやすくな

所計測では樹冠上層）にはレーザービームが十分な数到る（Hosoi and Omasa, 2012）。このことがケヤキの場合達し、LAD 推定精度が向上したが、計測地点から離れと同程度の LAD 推定精度が得られた要因の一つと考える（地上計測では樹冠上層、高所計測では樹冠下層）にられる。その他、ケヤキとイチョウという樹種の違いにつれてビームが樹冠により遮られ、十分な数のビーム起因する葉の形状や葉の空間分布等の違いが、群落内にが対象に到達できなくなり、過小推定が生じたものと考到達するレーザービーム数に影響を及ぼしていた可能性えられる。地上と高所の計測から得た LAD 推定値を合も考えられるが、今回の実験でその影響を見積もること成することでそれぞれの過小推定を補うことができ、結はできなかった。今後は樹種固有の構造が、LAD 推定果として二つの LAD の合成プロファイルが最も高い精精度にどのように影響を及ぼすかを検証していくことも度となった。これはケヤキを対象とした既往の論文と必要であると思われる。

同様な結果となっている（Nakai et al., 2009; Hosoi et al.,2010）。このことから、本方法が既往の研究で報告され

5 . おわりにたケヤキ群落だけでなく、それとは異なる樹種で、かつ本研究ではイチョウ群落を対象とし、地上及び 10 m

樹高も平均 LAD 値も異なる構造をもつ本対象のイチョの高所から可搬型スキャニングライダー計測を行い、得ウ群落にも適用可能であることが示された。

られた地上及び高所計測による LAD 推定値を合成する方法の有効性について検討した。VCP-method に基づき、群落を取り囲む複数の計測点を設置し、地上及び高所計測による LAD をまずは独立に算出した。実測値との比較では、地上計測では群落の下層、高所計測では群落の上層で高い推定精度を得た。地上及び高所計測によるLAD 推定値を合成した場合、それぞれ単独の場合の過小推定を補うことができ、結果として単独の場合よりも高い推定精度を得た。本研究により、本方法が既往の研Fig. 3. Comparisons of LAD profiles of the ginkgo canopy derived
from lidar measurements and the actual measurement. (A)Profiles obtained by 10m high position measurements,
the ground measurements and the actual measurement.
(B) Profiles obtained by combining LAD values of 10m
high position measurements with the ones of the groundmeasurements, and the actual measurement.

48（24）究で報告されたケヤキ群落だけでなく、それとは異なる構造をもつ本対象のイチョウ群落においても、適用可能であることが示された。今後は様々な構造をもつ対象にて本方法の適用可否を検討していくことが必要であると考えられる。

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