【技術報文】

環境と測定技術／Vol.47

No.42020

ドローンを活用した上層気象調査及び大気汚染調査の検証
ムラタ計測器サービス株式会社 福池 晃，池上 匡，永島右光
有限会社タイプエス 設樂 丘
八千代エンジニヤリング株式会社 河合 徹合，GPSゾンデは高さ100 ｍまで上昇すると同時に，横1．はじめに
現在，環境アセスメントにおける上層気象観測ではに100 ｍ程度流されることになる。ドローンであれば，

GPSゾンデが多く用いられている。GPSゾンデには気無線で操縦できるため，平面的に同じ場所で観測するこ

温，湿度センサとGPS受信モジュールが搭載されておとも可能となる（図1）。

り，気球に吊り下げて飛揚させることにより地上から高また，気象センサ以外に大気汚染物質のセンサをド度約30 kmまでの気圧・気温・湿度・ジオポテンシャル

ローンに搭載することで，大気汚染物質の鉛直分布を把高度・風向及び風速を測定することができる1）。気象庁

握することが可能となる（図2）。鉛直分布は，例えば逆では，全国16か所の気象官署や昭和基地（南極）でGPS

転層発生，解消時の大気汚染物質の濃度の移り変わりをゾンデによる観測が実施されており，上層における気象把握することが可能になる。このため，ドローンを活用観測の実績が高いツールである。一方で，GPSゾンデはした上空における大気汚染物質（PM2.5）の観測試験を実使い捨て製品のため高コストになること，海洋漂流物等施した。のごみになることが課題として存在する。また，近年で2．調査内容はヘリウムガスが希少で入手困難となっている。この調査は下記の4種類の内容を行った。

他，GPSゾンデは観測後に気球が破裂して落下するた① 超音波風向風速計と気象ドローンの比較② GPSゾンデと気象ドローンの比較

2）

め，安全に落下させるという対策が求められる 。

③ 高度1,000 mの高高度飛行試験

これらの課題に対応するため，気象センサを搭載した④ PM2.5センサ搭載ドローンの飛行試験

ドローンが上層気象観測に活用できる精度を確保できるか検証を行った。

3．使用ドローン

GPSゾンデに変えて気象ドローンを利用するメリッ使用したドローン及び搭載したセンサは表1に示すと

トは，上述のコストやごみ問題に加え任意の場所で観測おりである。調査①～③で使用したタイプエス社のができるという面がある。GPSゾンデの欠点は風の状況

R-SWMのベースドローンは自律制御システム研究所のにより気球が流されることで，任意の測定地点での計測

ACSL-PF1であり，プロペラが6枚あるヘキサコプターができない点にある。例えば，風速5 m/sの環境下の場である（図3）。全長1,120 mm，総重量8.5 kgで航行可能

図1

任意の場所で観測可能なドローン

図218

大気汚染物質の鉛直分布把握

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時間は気象条件によって異なるが20分程度である。本によって異なるが16分程度である。産業用ドローンと調査時は風向風速センサをドローンの上部に，温湿度セしては小型の部類であり，ペイロードは1 kgまでしかンサをドローンの下部に配置した。

ないが，大型機に比べて取り回しが簡便であることが利

調査④で使用したドローンはDJI社のMatrice100で点である。大気質や気象センサは近年軽量のものが開発あり，プロペラが4枚あるクアドコプターである。対角されており，大気質，気象センサを搭載しても1 kg以

寸法660 mm，総重量3.4 kgで航行可能時間は気象条件内に収めることが可能となっている。

図3

ドローン（R-SWM）の外観
表1

調査使用機器19環境と測定技術／Vol.47

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ホバリング時の比較結果を見ると，ドローンの風速

4．超音波風向風速計と気象ドローンの比較
4.1 調査概要の方が0.5～1 m/s程度大きくなっている。上昇時のa） 調査期間

比較を見ると，瞬時値のため数値にばらつきはあるが，おおよそ同程度の風速結果が得られている。ホバ2018年7月9日～10日

リング時に風速が高くなるのは風向風速センサがプロb） 調査場所
群馬県前橋市金丸町337-1

ペラ気流の影響を受けている可能性が考えられる。一（旧赤城国際芝スキー場跡地）

方で，上昇時において風速に差が見られなかったのは，上昇することによってプロペラ気流の影響のないc） 調査方法
超音波風向風速計との比較方法は表2に示すとおり自然風を捉えられたことによると考えられる。なお，である。地上高度7 mに超音波風向風速計を設置し，本調査では検証を実施していないが，ドローンの下降ホバリング及び上昇時の風速の比較を行った（図4）。

時は自身が起こしたプロペラ気流の中に降りていくことになるため，適切な測定値は得られないものと思わd） 調査結果

れる。

試験1
（ホバリング時）の調査結果を図5に，試験2（上昇時）の調査結果を図6に示す。

表2

超音波風向風速計との比較

図4

図5

ホバリング時の風速比較結果（10分平均）

超音波風向風速計との並行測定の様子

図620

上昇時の風速比較結果（瞬時値）

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5．GPSゾンデと気象ドローンの比較の気象データの比較を行った。飛行回数は秋季に145.1 調査概要

回，冬季に11回であり，雨天時はドローンの飛行をa） 調査期間中止したため，比較結果は晴れまたは曇りの気象条件

秋季：2018年11月6日～11日

下の結果である。なお，調査にあたっては国土交通省

冬季：2019年1月31日～2月5日

東京航空局成田空港事務所に「無人航空機の飛行に関する許可・承認申請書」を申請し，飛行に係る許可をb） 調査場所
千葉県千葉市若葉区地内受けて実施した。また，千葉市に本調査場所における（旧千葉市北谷津清掃工場）ドローンを用いた試験実施の許可をいただいた。
d） 調査結果c） 調査方法
GPSゾンデは5 ｍ/sの速度で気球が上昇するよう浮3）「窒素酸化物総量規制マニュアル（新版）」に基づい力を調整し，放球を行った。ドローンは2 ｍ/sの速度た計算式により風向差による相関解析，風のベクトルで上昇するよう設定し（ホバリング無し），GPSゾンデによる相関解析を実施した。解析結果を表3に示す。

放球1分後程度（GPSゾンデが高度300 ｍ程度に到達

風向差による相関，ベクトル相関共に0.9以上の強いした後）に飛行を開始した（図7）。ドローンの飛行は相関を示していた。

手動操縦ではなく，自律飛行で行った。ドローンの飛GPSゾンデとドローンの相関・差の標準偏差を表4

行高度は150～500 mの範囲とし，高度約5 m間隔で及び図8に示す。風速，気温の相関を見ると両要素と

図7
表3

GPSゾンデとドローンの調査風景

ベクトル相関及び風向差による相関

図8

表4

風速及び気温の相関係数・差の標準偏差

GPSゾンデとドローンの瞬時値の散布図（左：秋季，右：冬季）21

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も0.9程度の強い相関を示しており，概ね一致した変No.4

2020c） 調査方法

値での散布図を見るとばらつきは大きい。次に，風

対地高度1000 mまでの飛行を2回（1回目：12:52開始，2回目：14:45開始）実施し，気象データを取得し速，気温についてGPSゾンデとドローンの観測値のた。ドローンの上昇速度は2 ｍ/sとし，自律飛行によ動パターンを把握できることが窺える。ただし，瞬時るフライトを実施した。

各回の平均値の比較を行ったものを図9に示す。平均値で見ると，瞬時値での散布図に比べ，ばらつきが小d） 調査結果

さい。このことから，平均的な数値で見れば，GPSゾ

高度1,000 mまでの調査結果を見ると，高度700～ンデとドローンでおおよそ同様の傾向を捉えることが800 ｍ以上の高度で気温逓減率が変化している。ま可能ということが示唆された。なお，本比較ではドた，相対湿度についても高度600 ｍ以上で急激に空気

ローンは調査地点上空にほぼ垂直に上昇していっていが乾燥してきていることが分かる（図11）。

るのに対し，ゾンデは数ｍの風に流されながら観測を遮蔽物が周囲になく，周囲に電波等を発生する物が行っているため，同じ気層を捉えていない可能性があ無い環境下においては，高度1,000 mまではデータがることにも留意が必要である。

欠落することやドローンと基地局の電波の送受信が途

GPSゾンデとドローンの風配図を図10に示す。両絶えることもなく観測が行えることが確認された。な者の結果から秋季はNWが，冬季はSEが主風向であお，本調査時は気象条件が穏やかであり，高度1,000るなどの類似した傾向を把握できることが窺える。

mまで風速10 m/s未満であった。風速10 m/sを超え

6．高度1,000 mの高高度飛行試験

るような強風時はドローン飛行の安全確保が難しいこ

6.1 調査概要とを注意し，ドローン搭載センサから送られる風速a） 調査日データをモニタリングしながらフライトを行う必要がある。

2019年3月20日b） 調査場所
東京都大島町泉津原野
（裏砂漠）

図9

GPSゾンデとドローンの各回平均値の散布図（左図：風速，右図：気温）

図10

GPSゾンデとドローンの風配図（左：秋季，右：冬季）22

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7．PM2.5センサ搭載ドローンの飛行試験～100 ｍ付近でやや濃度が上昇しているのが捉えられ

7.1 調査概要ている（図13）。
ドローンの飛行時間は1回につき最大16分程度のたa） 調査日

め平均的な濃度を押さえることはできないが，上空に2019年8月9日

おける高濃度の発生状況を捉えることは可能であるこb） 調査場所とが示唆された。

神奈川県横須賀市長坂5丁目
横須賀市ドローンフィールド

8．まとめ
超音波風向風速計やGPSゾンデと気象ドローンの比c） 調査方法
対地高度150 mまでの飛行を2回実施し，PM2.5及較試験を行った結果，一定スピード（1～2 m/s程度）にびPM10のデータを取得した。ドローンの上昇速度はより上昇した場合，類似した結果が得られることが分1 ｍ/s程度とし，手動飛行によるフライトを実施したかった。また，飛行高度も1,000 m程度までは可能であ（図12）。

ることが分かり，ごみ焼却施設や小規模な火力発電所，d） 調査結果

地熱発電所などの環境アセスメントにおける上層気象観

PM2.5の調査結果を見ると，1回目は高度70～110

測技術として，実用の可能性が示唆された。一方で，本ｍでやや濃度が上昇しているが，2回目は大きな濃度調査では安全面を考慮し，雨天時や強風時（地上付近で変化は見られない。一方で，PM10は2回とも高度70風速10 m/s以上）は気象ドローンの飛行を見合わせた。

図12

図11

PM2.5センサ搭載ドローン

高度1,000 mまでの風向風速・温湿度鉛直分布

図13

高度150 mまでのPM2.5及びPM10濃度（左：PM2.5，右：PM10）23環境と測定技術／Vol.47

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ろである。

IPx4クラスの防沫形ドローンが販売されてきており，一定の雨に対しては対応可能になると思われるが，防水

地球温暖化による影響が顕在化する中で，精密な解析性能は高湿度に対しての保護は保障されていない。気象に資する気象データやエアロゾル濃度等のデータ収集はドローンは雲入するなどのケースも考えられ，湿度100今後ますます重要となってくると考えている。ドローン%に近い高湿度下で飛行を求められることから，ドローはこれらの情報収集に有効なツールであるため，引き続ンの更なる性能確認が求められる。また，夜間や雲入すき研究開発を進めていきたい。

るようなケースの高高度飛行は航空法の飛行許可を得る

本実証試験にあたり，桜美林大学リベラルアーツ学群ことが難しい場合が考えられる。いくつかの障壁がある

片谷教孝教授には，実証試験の手法やデータの解析方法

ものの，GPSゾンデから気象ドローンへの置き換えはなどに関して様々なご教示を賜りました。また，GPSゾケースによって使い分けることで十分に可能と考えられンデとの比較試験については，千葉市が実施する環境アる。引き続き，観測コスト縮減と精度確保が両立するよ

セスメントの調査と併せて実施する許可をいただき，場う検証を進め，気象ドローンの実務利用を進めていきの提供及びGPSゾンデのデータの供与を賜りました。
ここに厚く感謝の意を表します。

たい。
PM2.5センサ搭載ドローンについては，飛行時間が短

1）阿保 敏広：高層気象観測業務の解説
（改訂版）
（財）
,気いため，上空における大気汚染の平均的な状況を捉える

象業務支援センター, 平成18年3月

ことは困難であるが，上空における高濃度の発生状況を

2）日本気象学会：気象研究ノート 第229号 高層気象

捉えるという目的であれば利用可能であることが示唆さ

観測の発展と現状, 平成26年2月れた。本調査ではPM2.5測定の公定法や準拠する自動測3）公害研究対策センター：窒素酸化物総量規制マニュ

定機器等との比較を行っておらず，測定値の精度に関す

アル（新版）, 平成12年12月

る検証は行っていないことから，現在はセンサから得られる濃度データの精度等について検証を進めているとこ

■執筆者
福池 晃
ムラタ計測器サービス株式会社
取締役 営業部 部長 兼 東京支店 支店長〒245-0052 横浜市戸塚区秋葉町15番
TEL：045-812-1811
E-mail：eigyo@murata-s.co.jp

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