関東森林研究論 文69-2(2018)

可搬型レーザー計測装置による森林調査の計測精度
Measurement accuracy of forest survey using mobile laser scanning system
千葉幸弘＊1, 2Yukihiro CHIBA＊1, 2＊１ 森林総合研究所
Forestry and Forest Products Research Institute, Tsukuba, Ibaraki, 305-8687＊2 現所属：株式会社アドイン研究所
Present address: ADIN Research Inc., 3-6 Kojimachi, Chiyoda, Tokyo 102-0094
要旨：胸高直径や樹高の計測を行う毎木調査は，林業経営や森林資源管理での基本情報を得るための作業である。
しかし調査面積にもよるが，こうした調査は労力・時間・経費等の面からより効率的な方法が求められている。レー
ザー計測で森林内部をスキャンする可搬型の地上 LiDAR 装置(MLS 法)を用いて，スギ，ヒノキ，カラマツの人工林を対象に，従来の毎木調査と比較して，計測精度等を検討した。中下層木等が幹の胸高位置を覆っている場合などはMLS 法での DBH 計測値が過大となるが，そうした異常値を除けば，スギ，ヒノキ，カラマツともに平均二乗誤差
RMSE は 2cm 以下であった。MLS 法による樹高計測については，林冠が込んでいる場合に，劣勢木の樹高が高めに計測される傾向があるが，ある程度林冠が空いている一般的な人工林であれば林冠高をおおむね再現できると考えられた。様々な林分状況に応じた MLS 法の精度検証が必要だが，実用的には現状で活用可能と判断される。
キーワード：毎木調査，DBH，樹高，人工林，地上 LiDAR
Abstract: Forest survey to measure DBH and tree height of forest trees is necessary for the foundamental information for forestmanagement. Depending on the survey area, however, some improvement is required for more effective methodologies in terms oflabor, time, expenses, etc. Employing a mobile laser scanning system of terrestrial LiDAR equipment (MLS), the measurement
accuracy was examined for DBH and tree height of sugi (Cryptomeria japonica), hinoki (Chamaecyparis obtusa), karamatsu (Larixkaenferi) plantation forests. In case that stems at around breast height were covered with lower to medium layer trees, DBH by MLS
method was overestimated. Except for such outliers, RMSE (root mean square error) of the measured DBHs were under 2cm for alltree plantations. Concerning the tree height measured by MLS method, when the canopy is crowded, it is tended that tree heights ofsuppressed trees were to be higher. For moderately thinned plantation forests with adequate gaps in the canopy, the canopy height
could be properly measured by MLS method. Although more verification of the accuracy of MLS method according to various
forest conditions, the device of laser scanning system can be fully utilized even at present.
Key-word: forest survey, DBH, tree height, plantation forest, terrestrial LiDAR
求められる(2，3)。

Ⅰ はじめに森林施業を行う場合，あるいは森林動態を研究する場

広域の森林資源を把握する方法として，衛星リモート合など，森林に関わる様々な業務で対象林分の状況を把センシングや航空機 LiDAR が行われ，最近ではドロー握・記録するために毎木調査が行われる。収穫調査は，ン等の UAV による調査が試みられ，さらにレーザー計間伐や主伐における収穫量を把握することが目的だが，測機器の開発が進み，地上 LiDAR による調査事例も増径級区分や品等区分なども求められる。森林の詳細な資えつつある(1，2，4，6)。しかし多くの場合，こうした源量を把握する場合などには，立木位置や微地形等を計最新技術では調査費用がかさみ，収穫調査に代わる技術測することもある。しかしこうした毎木調査は，時間ととしては採用しづらいのが実態である。

労力だけでなく必要経費も発生するため，特に林業経営

そうした中，地上 LiDAR のひとつである可搬型のレでは，可能な限り簡略化して，効率的に調査することがーザー計測装置が開発され，人工林の毎木調査での活用－

1 －(受理日 2018 年 5 月 13 日)

が期待される。この装置は，斜面の傾斜がきつく足場の化する位置を特定して枝下高を算出する。

悪い林内でも容易に設置することができ，簡便な操作で３．調査データの比較 MLS で計測した立木の DBH

林内をレーザースキャンし，毎木調査と同様のデータがおよび樹高の計測結果を比較検証するため，調査対象木迅速に出力される(2，7)。

について，胸高位置の幹周をスチール巻尺で計測して幹本研究では，地上 LiDAR 装置を用いて，スギ，ヒノ直径に換算し，また樹高についてはトゥルーパルス

キ等の人工林を調査し，胸高直径の計測精度について，(Laser Technology 社製)により 0.1m 単位で計測した。

従来用いられる巻尺や輪尺による計測値と比較検証する

以下，スチール巻尺およびトゥルーパルスによる計測方とともに，樹高の計測値についても従来法との比較検討

法を”従来法”，MLS での計測を MLS 法と呼ぶ。

を行った。また，この装置では対象林内の立木位置や地形等も計測されることから，こうした計測データを有効MLSによるDBH (cm)に活用する見通し等についてもあわせて考察した。
Ⅱ 材料と方法
１．調査地 スギ，ヒノキ，カラマツの人工林に 20m×20cm の調査プロットを設定して，従来の毎木調査およびレーザー計測による DBH(山側の地上高 1.2m)およ50スギ（茨城）40302010び樹高等の計測を行った。調査林分の林分密度，平均0DBH，平均樹高はそれぞれ以下のとおりである。

01020スギ人工林(茨城県)：1150 本/ha，22.9cm，18.4m

304050

巻尺 DBH (cm)

MLSによるDBH (cm)

ヒノキ人工林(岡山県)：925 本/ha，24.2cm，19.2m
カラマツ人工林(山梨県)：975 本/ha，22.5cm，19.4m
２．使用機器の概要 使用した計測装置は，株式会社
アドイン研究所製の可搬型レーザー計測装置(商品名”OWL”。以下，本装置を MLS(mobile laser scanningsystem)と呼ぶ)である。MLS は，レーザーセンサーを含40ヒノキ（岡山）302010む計測機と一脚を組み合わせた簡便な構造となっており，0一脚を含めた全重量は 3.6kg，林内のレーザースキャン

010する操作はボタン操作ひとつのみであり，計測時は MLS

203040

巻尺 DBH (cm)

MLSによるDBH (cm)

を片手で支えておくだけでよく，現地調査での操作性は容易である。なお，本装置 OWL の規格・仕様・計測条
件等についてはウエブサイト(7)，また本装置によるレーザー計測の方法論等については，坪内ら(10)，千葉(2)の解説がある。
MLS による森林計測では，約 10m 間隔で移動しなが50カラマツ（山梨）40302010ら，1 箇所ごとに約 45 秒間で林内スキャンを繰り返し，0林内の全立木の計測を行う。
全地点の計測が終了したら，

0付属解析ソフト(OWL Manager)で全計測地点のデータ

1020304050

巻尺 DBH (cm)が合成され，当該林分の 3 次元構造のデータ化，立木のDBH，樹高立木位置などが半自動的に出力される。

図—１ レーザー計測(MLS 法)および巻尺(従来法)による DBH 計測値の比較
Fig.1 Comparisons of DBH values by MLS method
and ordinary method of tape measure

樹形情報の算出方法は概略次のとおりである。レーザー計測で得られる点群データから，立木ごとに，胸高 1の樹幹断面を円近似して直径を算出して胸高直径とする。
樹高については，当該位置の最上部の点座標をもって樹高とする。枝下高については，樹幹部位の点群データを地上高ごとに層化して，鉛直方向の点群密度の濃淡が変－

2 －関東森林研究69-2(2018)

あれば，スギ，ヒノキ，カラマツの DBH 計測値は極端Ⅲ 結果と考察
１．胸高直径の計測精度 スギ，ヒノキ，カラマツ人なものを除いて許容範囲内と言える。

工林において，MLS 法および従来法で計測した DBH を

ただ，DBH の計測誤差を一律に±2cm や±3cm 以内比較した(図-１)。全体に MLS 法の DBH がやや大きいとする根拠はなく，むしろ統計学的には DBH の大きさ値になった。ただ，スギ林については，植栽後の除間伐に対する相対誤差として評価するのが適当であろう。図がほとんど行われず，アオキやヒサカキ等がスギの根元—２の灰色の領域は，DBH に対する相対誤差が±10％以付近から胸高部分にかけて幹を覆っている場合があった

内を示す。スギで DBH が 20cm 以下ではこの許容範囲

ほか，スギと同程度の直径の広葉樹がスギの樹幹に密着を超えるものがあるが，ヒノキではすべが，カラマツでしている場合があったため，特にスギ小径木で MLS のも一部を除いてほとんどが誤差±10％以内になる。

計測値が過大になったものである。ヒノキについては，巻尺や輪尺による DBH の計測では，誤差が生じにく林内に下層植生がなかったこともあり，ALS の計測精度いと考えがちであるが，計測者の経験や技量等によっては良好であった。カラマツでは，径級の大きいものほど計測の誤差・過誤が意外に生じる(5)。今回実施した検証

ALS の計測値が大きめだが，全体的に巻尺の計測値と大作業でも計測者 4 名の測定結果に疑義が生じるケースが差ない結果がえられた。

あり再計測せざるを得ないことがあり，従来の計測手法

毎木調査における DBH の計測精度に関しては，収穫でも計測精度が万全でないことに留意が必要である。
地上 LiDAR であるレーザー計測装置 FARO を用いた一般的には±2cm 以内を求められることが多い。図—2 は，DBH の 計 測 に つ い て は ， RYDING et al.(6) やMLS 法と従来法で得られた計測値の差が DBH とどのBAUWENS et al.(1)の報告があり，計測精度を平均二乗ような関係にあるか比べたものである。ヒノキについて誤差(RMSE：Root Mean Squared Error)を用いて論じは，ほとんどが計測差±2cm 以内であった。しかし，下ている。それによると DBH10cm 以上の林木に限ると層植生や広葉樹の侵入木があったスギでは，20cm 以下RMSE は 1.5cm 以下で計測できたと報告している。レの小径木で計測差が大きく，カラマツでも 20cm 以上のーザー計測装置自体の違いや調査林分の違いがあるので，径級で計測差が 2cm 以上となった。今回の調査林分でこれらの報告と同列で比較はできないが，本研究で調査は，下層木等によって MLS の計測に支障が生じた林木

したスギ，ヒノキ，カラマツの DBH もほぼ 10cm 以上も含まれているが，許容誤差を±3cm 以内と言えるのでであり，MLS による計測値の RMSE はそれぞれ 2.35cm，86スギ（茨城）420-2ヒノキ（岡山）420-2-4-4-6-6-80

計測誤差 (cm)6

計測誤差 (cm)

計測誤差 (cm)

調査規程等で許容誤差が明記されているわけではないが，10203004050DBH (cm)102030DBH (cm)

406カラマツ（山梨）

4図—２ DBH 計測誤差の DBH 依存性
計測誤差は，レーザー計測(MLS 法)と巻尺(従来法)で計測した値の差である。グレーの領域は，DBHに対して±10％の誤差範囲を示す。
Fig.2 DBH measurement differences with DBH.
Measurement difference denotes the difference
between the DBH values measured by MLS
method and tape measurement.

20-2-4-60

102030DBH (cm)40－3 －

0.64cm，1.97cm であった。すでに述べているようにスタ化されて，林地の地形や林床植物の情報も同時に得る

ギ林ではレーザー計測の障害となる下層木の影響があっことができるので，従来の森林調査とは比較にならないたが，そうした悪条件がなければ，MLS を用いた DBH豊富な森林情報を取得できることも大きなメリットであの平均的な計測誤差としてはおおむね 2cm 以下であっる。こうしたレーザー計測装置を効果的に活用するためたと判断される。には，従来の収穫調査規程に沿った調査方法や計測内容

２．樹高の計測 林冠が閉鎖した森林では，レーザーを改めて見直して，より効率的な調査業務，より効果的光が林冠で遮られるため，樹高計測が難しくなることはな森林情報の活用を展開できるよう工夫していくことが否めない。図—３は，ヒノキ林で計測した従来法と MLS望まれる。

法による樹高を比較したものである。全体的には，両方の計測値がほぼ一致しており，林冠高がよく再現できて謝辞：本研究は，株式会社アドイン研究所および株式会いる。ただ，一般的には劣勢木ほど樹高が低くなるはず社森林再生システムとの共同で実施された。現地調査おだが，図—３では MLS 法で計測した DBH20cm 以下のよびデータ解析等でご協力いただいた塩沢恵子，佐久田

小径木でも樹高が高めになっているのがわかる。その理誠，会田拓己，加賀谷廣代の各氏に謝意を表する。

由は，劣勢木の場合，それに隣接する優勢木の樹冠が覆い被さっているので，MLS では覆い被さっている優勢

引用文献

木の枝葉を劣勢木の樹高と誤認するためである。

(1) BAUWENS, S., BARTHOLOMEUS, H., CALDERS,

一方，林冠が極端に込んでいる場合は，レーザー光がK., LEJEUNE, P. (2016) Forest inventory with

林冠を透過できなくなり，林冠層の途中でレーザーが反terrestrial LiDAR: a comparison of static and hand-

射してしまうため，すべての林木の樹高が低くなること

heldがある。立木本数が多い場合や樹高が低い若い林分など

doi:10.3390/f7060127

での MLS による樹高計測には注意が必要である。

(2) 千葉幸弘 (2017) 地上レーザー計測による森林調査

laserscanning.

Forests

7,127;のこれから．森林科学 80: 32-3525

樹高 (m)

mobile(3) 千葉幸弘，速水亨，佐々木浩二 (2014) レーザ計測装20

置による森林スキャンと林業経営への活用. 森林技術

15871: 26-2910(4) 遠藤貴宏・中村裕幸・澤田義人・沢田治雄 (2012) 地

5

上 LiDAR による樹幹太さの推定に関する研究．生産研
究 64: 585-589

001020304050(5) 北原文章・溝上展也・吉田茂二郎 (2008) 森林調査に

DBH (cm)

おける直径・樹高測定の正確度・精度に関する研究．九図—３ MLS 法(〇)および従来法(●)による樹高計測値の比較
Fig.3 Comparison of tree heights measured byMLS method (○) and tape method (●)

州森林研究 61: 176-178(6) RYDING, J., WILLIAMS, E., SMITH, M.J.,
EICHHORN, M.O. (2015) Assessing handheld mobile
laser scanners for forest surveys. Remote Sensing 7:

３．
MLS 法の利便性 直接データは示さなかったが，1095-1111

OWL による MLS 法では調査林分内の立木位置図，幹(7) 森林 3 次元計測システム https://www.owl-sys.com

曲りを示す矢高などのデータも解析されて，現地で直ち(8) TSUBOUCHI, T., ASANO, A., MOCHIZUKI, T.,に確認することができる。千葉(2)が指摘しているように，

KONDOU, S., SHIOZAWA, K., MATSUMOTO, M.,

従来の毎木調査であれば現地での DBH や樹高の計測の

TOMIMURA, S., NAKANISHI, S., MOCHIZUKI, A.,

ほかにコンパス測量等を数人で行った後で，それら計測

CHIBA, Y., SASAKI, K., HAYAMI, T. (2013) Forest 3D

データの入力や集計・解析をしなければならないが，mapping and tree sizes measurement for forest

MLS 法では，現地で計測をすればそれだけでほぼすべ

management based on sensing technology for mobileての作業が完了する。そういう意味では，労力，時間，robots. Yoshida,K & Tadokoro,S. Eds, Fields and

経費が削減されるなど，林業経営上のメリットは大きい。

Service Robotics 92, 357-368, Springer

森林内部をスキャンすることで森林構造が三次元デー－4 －