第64回(2020年度) 北海道開発技術研究発表会論文

空撮写真を用いた簡易的手法による藻場の海藻被度の把握について
国立研究開発法人 土木研究所 寒地土木研究所 水産土木チーム ○伊東 公人
北海道開発局 農業水産部 水産課
渡邉 浩二
北海道開発局 稚内開発建設部 築港課
丸山 修治
沿岸域の水産環境において藻場は重要な役割を担っているが、近年、気候変動に伴う海水温上昇等の影響により藻場の衰退や構成種の変化等が懸念されており、海藻の繁茂状況等藻場の継続的なモニタリングの重要性が高まってきている。本稿では、長期間にわたり継続的な藻場のモニタリングが行えるようドローンによる空撮写真を用いた簡易的手法により藻場の現状を把握する手法の検討内容とともに、その適用性について報告する。
キーワード：藻場、モニタリング、空撮写真

1. はじめに港湾・漁港等の沿岸構造物は、海藻が繁茂して藻場を形成し魚介類の産卵場になるとともに、沿岸構造物によって形成される静穏域に魚介類が蝟集・回遊する等、自然環境との調和機能を有するため、これまでにも地域の状況に応じて、防波等の本来機能の発揮と併せた自然環境調和型沿岸構造物の整備が進められてきている1)。
沿岸構造物が有する自然環境との調和機能のうち、特に藻場については、前述のような魚介類の産卵場や生息場としての機能のほか、コンブやウニ・アワビ等の漁業生産の場としての機能、窒素・リン等栄養塩の吸収等による水質浄化機能等様々な機能を有しているため1)、人工・天然を問わず、その創出・保全は大変重要である。
しかし近年の気候変動に伴う海水温上昇等の影響により、海藻草類の衰退や分布域の北上等が懸念され2）、また北日本に分布する主要なコンブ11種を対象とした今後の地球温暖化シナリオに基づく分布域の推定では、今後分布域が大幅に北上する、もしくは生育適地が消失する可能性のあることが予測されている3）。このようなことから、海藻の繁茂状況等藻場の継続的なモニタリングの重要性は高まってきている。
藻場のモニタリングは、海藻種の繁茂期を含め年1回以上の頻度で被度と面積を把握し、得られた結果を経時的に比較する方法が示されている4）。しかし地元関係者が藻場の状況を継続的にモニタリングする場合、潜水調査では測線本数・測点間隔等のモニタリング方法の設定や労力・費用等に課題がある。
このような課題に対応し、費用等をできるだけ抑えて簡易に藻場の被度や面積を把握でき、かつ長期にわたり継続的に藻場のモニタリングを行えるようにするため、空撮写真を用いた簡易な藻場の現状把握手法の検討に取り組んでいるが、既報による報告5)以降、さらに検討を進めた丸山らの研究6)により、活用可能性のある手法の開発が進められてきていることから、本稿ではその内容について報告する。

2. 元稲府漁港二重堤間の藻場を対象とした検討(1) 元稲府漁港二重堤の藻場検討の対象とした元稲府漁港は、北海道雄武町に位置する第4種漁港である。写真－1に同漁港を示すとともに、調査箇所を赤点線囲い、測線を黄色線で示す。

写真-1 元稲府漁港（網走開発建設部提供）

同漁港では港内を拡幅する際、外郭施設の港内側である二重堤間（北防波堤と北護岸との間）にマウンドを造成し、藻場環境の創出を図っている。造成されたマウンドでは、毎年、大型のリシリコンブが繁茂し2007年からコンブ藻場として活用されている。また、2006年から当該箇所へ実入り向上を目的としてエゾバフンウニが移植放流され、ウニ増殖場としても活用されている7）。

Ito Kimihito, Watanabe Koji, Maruyama Shuji－ 888 －

(2) 藻場の潜水調査の概要
率80％以上でつなぎ合わせて二重堤間の画像を作成した。
当該箇所の藻場調査は従来から一般的な潜水調査と同様に潜水技師による目視観察が行われている。具体的には、二重堤間の4測線（L=90m）を対象として、起点と終点をGPSで測位し、起終点間の海底に配置したロープを潜水移動して5m間隔に方形枠（1m×1m）を設置した上で、枠内の海藻被度を目視観察するものである。
2017年6、8、12月、2018年6、9月の潜水調査について、無節サンゴ藻等殻状海藻を除く海藻を対象とした全測線
図－2 ドローンによる藻場の空中撮影（イメージ）
平均の海藻被度と被度組成の推移を図－1に示す。
(3-2)画像解析の手法a)画像解析のフロー
空撮写真の画像解析による藻場の現状把握（海藻被度の面的な把握）の簡易的な方法のフローチャートを図－3に示す。
【潜水調査】【空 撮】

・調査地点の位置と主要海藻種の被度の把握

・写真作成（複数枚のつなぎ合わせ）【画像解析】
・幾何補正
・教師設定
・教師付き分類画像の作成
・精度評価

図－1 海藻被度と被度組成の推移（全測線の平均）二重堤間では 2007 年以降毎年 7 月にリシリコンブ漁が行われているため、7 月以降の海藻被度は漁の影響が考えられるが、夏季 6 月の平均海藻被度は 2017 年が75.0％、2018 年が 46.9％であった。水産庁の改定磯焼け対策ガイドライン 4)で示されている海藻被度区分（表－1）では、50％以上が「密生」と区分されていることから、概ね良好な藻場が形成されていると判断される。また、各海藻種の被度割合を表す被度組成では、2017 年 6月から 2018 年 9 月までの調査においてリシリコンブが80～94％を占め当海域の最優占種であった。
表－1 海藻被度の区分4)(3) 空撮写真の画像解析による藻場の現状把握(3-1)空撮と画像作成
二重堤間全域の藻場の空撮は、マルチコプター（PHANTOM4 PRO DJI社）（以下、「ドローン」という）により、2017年8月の潜水調査時に行った（図－2）。太
陽光の反射等の影響が出ないよう低高度でのテスト飛行により高度を100mとし、撮影した複数枚の写真をラップ・分類区分の面積算出（面的）図－3 簡易的な画像解析のフローチャート

はじめに、対象範囲の潜水調査と同時にドローンで空撮を行った。次に、空撮写真の幾何補正を行った後に、教師設定を行い、教師付き分類画像を作成した。最後に、潜水調査結果との比較により画像解析の精度を確認した上で、対象箇所全域の海藻被度の分布とその面積を算出した。今回行った教師付き分類とは、作成した教師の統計的特徴に基づき写真画像を分類することである。そのため教師として、あらかじめ分類可能な海藻の被度階級の区分を設定した。
画像を解析するソフトは、簡易に空撮写真の画像解析が可能で 2008 年 9 月から一般公開・随時更新されている「RSP Ver3.068)」とした。当該ソフトは日本語の利用マニュアルとともに一般公開され、動作環境（OS）がWindows7、10 で空撮写真の幾何補正から面的な海藻被度の面積算出まで、このソフトのみで簡易にできることから、地元関係者による作業を想定した場合、活用ソフトとして適していると考えられる。
b)幾何補正と教師設定
幾何補正とは、写真のゆがみを補正するために行う前処理のことである。作成した元稲府漁港二重堤間の空撮写真を RSP で読み込み、防波堤の角など任意の 4 点を選んで、その緯度経度を RSP 上での座標に変換する。これにより空撮写真の RSP 上での位置（座標）が分かるようになる。
教師とは、予め分類可能な海藻被度の階級を定め、各Ito Kimihito, Watanabe Koji, Maruyama Shuji－ 889 －

階級に属する空撮写真の色のデータのことである。今回
は潜水調査結果から、優占するリシリコンブの被度を対象として、区分した被度階級で、潜水調査地点の半数を用い教師を作成した。写真の色は基本色である赤（R）、緑（G）、青（B）で構成され（最小値 0、最大値 255）、それぞれの色の波長の反射量で発色が決まる。このため、分類する被度の階級は、R、G、B 値に差が出るように区分することが重要である。被度階級は、改訂磯焼け対策
ガイドライン 4)で示されている海藻被度の区分を勘案して設定した。
c)教師付き分類画像の作成
教師付き分類画像とは、作成した教師に基づき分類される画像のことで、RSP では最尤法により分類画像を作成するようになっている。教師を作成する際、潜水調査では 1m×1m の方形枠内の被度を把握していることから、その調査地点と同じ地点（1m×1m）の R、G、B 値で教師を設定し、教師付き分類画像を作成した。
d)精度評価
精度評価は、リシリコンブの教師を(3-3)a)で後述する3段階の被度の区分で、教師設定に用いなかった残りの地点の潜水調査結果（参照データ）と、作成した教師付き分類画像（分類結果）を比較し、正確に分類された地点の割合を全体評価として評価することとした。
e)分類区分の面積の算出作成した教師付き分類画像から各分類区分の面積を算出した。更に各分類区分の面積とその分類区分に属する潜水調査のリシリコンブ平均被度から、分類画像全域のリシリコンブの被度を求めた。精度は、潜水調査全 76地点のリシリコンブの被度の平均値と比較し評価した。

写真－4 幾何補正後の二重堤間の空撮写真

また教師設定に関しては、調査地点のリシリコンブの被度と空撮写真のR、G、B値との関係について、空間解像度1m×1mでの結果を図－4に示す。海藻被度の階級については、改訂磯焼け対策ガイドライン4)で示されている被度の階級区分（0～5、5～25、25～50、50～75、75～100％）の中から、「密生」として区分されている50％と着生の有無の把握が可能な5％を境界とした0～4、5～49、50～100％の3階級でR、G、Bの有意差の有無を検定したところ、Gは3階級どうし全てに有意差（P<0.05）があり、Bは0～4％と5～49％に、0～4％と50～100％に有意差（P<0.05）があったことから分類可能と考え、この3階級で区分することとした。

(3-3)画像解析の結果a)幾何補正と教師設定
ドローンにより空撮した二重堤間の写真の一部を写真-2 に示す。このような写真を複数枚撮影し、ラップ率80％以上でつなぎ合わせて合成画像を作成（写真-3）した後、幾何補正を行った。幾何補正後の二重堤間の空撮
写真を写真－4 に示す。
図－4 リシリコンブ被度と空撮写真R、G、B値との関係b)教師付き分類画像の作成
設定した教師を表－2に示す。また、設定した教師で
写真-2 ドローンで撮影した二重堤間の空撮写真（一部）

写真－3 幾何補正後の二重堤間の空撮写真

Ito Kimihito, Watanabe Koji, Maruyama Shuji－ 890 －

表－2 教師被度階級（％）

地点数0～45～4950～100111847

空間解像度
1m×1m
RGB58951086285103
5778100

作成した教師付分類画像を図－5に示す。なお、二重堤間には水上部が存在するため、あらかじめ水上部を陸域として白色に教師付け行った。

表－4 平均被度（潜水調査）と全域被度（画像解析）
教師付き分類画像
潜水調査
被度階級
地点数（％）
0-45-4950-100
陸域計

図－5 教師付き分類画像

空間解像度
1m×1mリシリコンブ
平均被度（％）

111847－76

面積（m2）

リシリコンブ
全域被度（％）

5,141
4,278
12,949

48.2

0.0
24.2
75.3

52.3

－

－

798－

－

23,166－（黄：0～4％，黄緑：5～49％，緑：50～100％，白：陸域）

c)精度評価1m×1mの空間解像度で作成した教師付き分類画像の精度評価を表－3に示す。全体精度は70％であった。環境省では藻場と藻場以外の区分や干潟と干潟以外の区分に対する画像解析の精度評価について60～80％の指標値を用いて全体精度と比較している9）。今回の検討では藻場の被度階級の区分を3つとしており、藻場と藻場以外など環境省の事例と区分内容が異なるため、指標値（60～80％）と単純に照らし合わせることはできないが、3つの被度階級に区分した全体精度が、評価指標値の範囲内であることを評価すると、本手法の精度に問題はないと考えられた。
表－3 精度評価

空間解像度
1m×1m
0-45-49
分類結果
50-100合計
全体の精度

0-45005

参照データ
5-4950-100
21235199230.70

合計852437図－6 分類画像（調査測点間隔10m,20m）（黄：0～4％、黄緑：5～49％、緑：50～100％、白：陸域）（上段：測点間隔10m、下段：測点間隔20m）

教師付き分類画像の全体精度については、調査測点間隔が長くなった場合、低下する傾向があった（表－3、5）。特に、10mとした場合の全体精度が低いことについては、被度5～49％の地点数が他の被度（0～4％、50～100％）に比べ少ないことが要因になった可能性があると考えている。
表－5 精度評価（調査測点間隔 10m（上段）、20m（下段））d)分類区分の面積の算出
潜水調査結果のリシリコンブ平均被度と教師付き分類
画像から求めたリシリコンブの全域被度を表－4に示す。
教師付き分類画像から求めたリシリコンブ全体被度は48.2％であり、潜水調査結果のリシリコンブ平均被度（52.3％）と同程度であった。このことから、潜水調査の平均被度による藻場の経過観察（図－1）に、被度階級を区分する必要はあるものの、本手法は活用可能と考えられた。
e)潜水調査の測点間隔を長くした場合の教師付き分類画像の作成・精度と全域被度調査測点間隔を長くした場合の分類画像や全域被度等について、測点間隔を10m及び20mとした場合の検討を行った。図－6に測点間隔を10m、20mとした場合の3つの被度階級で区分した教師付き分類画像を示す。

調査測点間隔 10m
空間解像度 1m×1m
0-4
5-49
分類結果
50-100
合計
全体の精度
調査測点間隔 20m
空間解像度 1m×1m
0-4
5-49
分類結果
50-100
合計
全体の精度

Ito Kimihito, Watanabe Koji, Maruyama Shuji－ 891 －0-43003参照データ
5-49 50-100
2303274130.50

合計
83920

参照データ
0-45-4950-100

合計

10120011231352590.56

一方、調査測点間隔が5m、10m、20mの教師付き分類画像からの全域被度はともに同等であり、これらは潜水調査結果のリシリコンブ平均被度と同程度であった（表－4、6）。このようなことから、潜水調査を行う場合の測点間隔は、教師付き分類画像の精度と潜水調査の労力や費用を勘案の上、柔軟な設定や使い分けが重要と考えられる。例えば、今後、当該箇所において本手法で面的な海藻被度の把握を継続的に行う場合には、潜水調査の測点間隔を20m間隔とし、数年に1回は5m間隔で行うことにより、労力や費用を抑えた長期的な藻場の観察が可能であると考えられた。
表－6 全域被度（調査測点間隔 10m,20m）

被度階級
（％）

0-4
5-4950-100
陸域計

教師付き分類画像
調査測点間隔10m
調査測点間隔20m
空間解像度
空間解像度
1m×1m
1m×1m
面積リシリコンブ
面積リシリコンブ（m2） 全域被度（％） （m2） 全域被度（％）
6,238
4,426
46.0
47.6
3,647
5,609
12,485
12,328796－
803－
23,166－23,166－

3. おわりにドローンによる空撮写真を用いた藻場の現状把握手法
について、北海道雄武町に位置する元稲府漁港の二重堤の藻場を対象として、潜水調査結果と空撮写真を用い、一般公開されている画像解析ソフトを活用して、対象藻場の現状の把握を試みた。その結果、空撮写真と潜水調査結果を関連付けた画像解析により、二重堤の藻場の現状を把握することができると考えられた。
検討した空撮写真と潜水調査結果を関連付けた画像解
析による方法は、藻場のモニタリングに係る労力や費用の低減を図り、かつ長期的な取組にもつなげることを目的としている。本稿では、元稲府漁港二重堤藻場の潜水調査測点の間隔を10m及び20mに長くした場合の検討を行ったが、精度は低くなったものの画像解析による全域被度は潜水調査と同程度であった。即ち、空撮を組み合わせることで少ない潜水調査地点で藻場のモニタリングが可能になると考えられる。
さらに現在、潜水調査回数を減らすため撮影時期の異なる画像間での補正方法、教師付き分類画像の精度向上、他地域での解析等についても検討を進めているところである。
謝辞：本調査（藻場、空撮）の実施に当たっては、雄武町、雄武漁業協同組合、国土交通省北海道開発局網走開発建設部紋別港湾事務所に資料の提供をはじめ多くのご協力をいただいた。ここに記して謝意を表する。
参考文献
1)一般社団法人寒地港湾技術研究センター：寒冷地における沿岸構造物の環境調和ガイドブック、p.5、2017．
2)水産庁：気候変動に対応した漁場整備方策に関するガイドライン、p.70、2017．
3)Kenji Sudo 、 Kentaro Watanabe 、 Norishige Yotsukura 、Masahiro Nakaoka ： Predictions of kelp distribution shifts
along the northern coast of japan 、 Ecological Research、
Vol.35(1)、pp.47-60、2019.
4)水産庁：改訂磯焼け対策ガイドライン、pp.150-152、2015．
5)丸山修治，伊藤敏朗，田村友行：元稲府漁港二重堤間の藻場に関する考察，第 62 回北海道開発技術研究発表会
6)丸山修治、梶原瑠美子、石井馨：空撮写真を用いた簡易的な面的海藻被度の把握、土木学会論文集 B3（海洋開発）、Vol.76(2)、p.l 828-l 833、2020．
7)元稲府漁港の概要、国土交通省北海道開発局網走開発建設部
HP8) リ モ ー ト セ ン シ ン グ Remote Sensing Information 、
http://rs.aoyaman.com/（2020 年 12 月 10 日確認）
9)環境省：瀬戸内海における藻場・干潟分布状況調査結果（西部海域）、p.19、2018.
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