地上レーザスキャナ計測による水稲の三次元形状特性の抽出
環境リモートセンシング研究室
指導教員 力丸 厚 高橋一義

1. 目的
本研究では，水稲の生育情報として稲体の三次元形状の経時変化に着目した．三次元形状を計測する装置の一つであるレーザスキャナによる実験装置を作成し，水稲生育モニタリングの可能性を検討する基礎実験を実施した．水稲の形状変化かが大きい 6 月中旬から７月下旬の期間，定期的に水稲直上からの計測により面的で且つ均一なレーザスキャナ計測データの取得を試みた．そして，水稲の三次元形状を図 1 の様

図1

三次元形状特性についてな円錐型と仮定して，レーザスキャナ計測で取得した水稲の三次元点群データから水稲の三次元形状特性を表現するパラメータとして水稲の高さをレーザ計測高さ，水稲の茎葉の平面方向への広がりを稲体半径として二つのパラメータの抽出を試みた．抽出したパラメータと慣行計測値を比較することで，レーザスキャナ計測による水稲形状情報推定の可能性を示すことを目的とした．

2. 野外での地上レーザスキャナ計測

図2計測装置外観図

図3

計測データ例

新潟県農業総合研究所内の試験圃場の一角に
図 2 に示す実験装置を作成し，水稲株の鉛直方向からレーザスキャナ計測を実施した．計測期
間は 2008 年，2009 年ともに 6 月中旬から 7 月下旬までとした．水平に設置したレール下を一定速度でラインレーザを移動させ，稲株の三次元点群データを取得した．観測は複数の計測ラインを同一稲株に対して複数の計測ラインから行う．ラインレーザの設置高さは，地上から高さ約 2.6m とした．計測対象とした稲株は，2008
年は栽植密度 60 株/坪，2009 年は栽植密度 60株/坪と 45 株/坪であり品種はコシヒカリとした．試験圃場におけるレーザスキャナ計測は，

和泉勇希
坂田健太

2008 年及び 2009 年の 6 月上旬~7 月下旬の期間，数日間隔で実施した．レーザスキャナ計測後，稲株の草丈，茎数，草冠高さを実測した．レー
ザ計測データの例を図 3 に示す．

3. データ解析
3.1. レーザデータ前処理
レーザ計測ではレーザが照射されない死角となる部分が存在する．そのため，計測死角を減らすために複数の測定データを統合し解析に用いた．統合したデータの例を図４に示す．解析

図4

は 1 株分の占有面積に含まれる計測点とした．

測定データの結合例

一株分の占有面積は栽植密度と作付け方向にて決定した．
3.2. 形状特性の計算
三次元点群データから図 1 に示す円錐モデルを，水稲株中心を円錐の中心とする形で作成した．高さ 5cm 未満の点群データを田面として解析対象外とした．鉛直方向に対して 10cm 幅の解析領域を複数設定し，高さ別の円錐モデルを作成．稲体半径は解析領域内に存在する点群の領域中央からの距離とした．また，高さについては解析領域内の上位 1％の点群の高さの値の平均値を用いた．

草冠高さとレーザ計測高さの関係象物であるとき，実際の位置よりも遠い位置を示す場合がある．基準マーカの計測結果におい4. 抽出パラメータによる三次元形状特性の検討
4.1. 高さに関わるパラメータ比較
図 5 に草冠高さとレーザ計測高さの関係図を示す．黒の破線は 45

図5線で，この直線上にプロットがあれば草冠高さとレーザ計測高さは同じ値である．図から，すべてのプロットにおいて，レーザ計測高さが実測した草冠高さよりも約10cm 低い値を示したものの，相関係数は 0.998と高く強い相関を示した．レーザ計測高さが低い値を示した要因として，レーザフットプリントの大きさと水稲形状の影響が考えられる．レーザフットプリントよりも小さいものが計測対て実測値との残差が 1.5cm であることより，フットプリントによる影響が予測される．また，水稲の形状として茎葉が地面に垂直に存在していることから，レーザ照射範囲に対して茎葉は斜めもしくは垂直に存在する．そのためレーザ計測値と実測値との間に差が表れたと予想される．
4.2. 水平方向に関わるパラメータの比較
図 6 に茎数と稲体半径の時系列変化を示す．
2008 年，2009 年ともに茎数の増加を示す 7 月上旬までは稲体半径も増加傾向を示すが，それ以降，水稲半径は大きな変動は無くほぼ一定の値を示した．図７に示す植被率と水稲稲体半径の時系列変化からは，植被率は 7 月下旬まで増加傾向にあることが見て取れる．7 月上旬以降，稲体半径が変動しない理由として解析領域を固定した影響があると考えられる．計測
データ上にはほぼ均一にレーザ計測点が存在しており，生育が進むことにより水平方向の計測点の分布が大きく変化しなくなったため，稲体半径の値が変動しないのではないかと考えられる．しかし，茎数の増加する，移植から最高分げつ期までの期間においては，水稲半径は関連性のあるパラメータと予測される．
図６

茎数と稲体半径の関係

4.3. 体積に関わるパラメータの比較
水稲の生育診断指標の一つに乾物重推定指標値があり，水稲の単位面積当たりの乾物重の推定が可能である．つまり，水稲体積して比較が出来ると考え，レーザ計測から得たレーザ計測高さと稲体半径の二値から円錐モデルの体積を算出し乾物重推定指標値との比較を行った．乾物重推定指標値の式を(1)に，その結果を図 8 に示す．
乾物重推定指標値=草丈(m)

茎数(本/m2)・・(1)
図７

植被率と稲体半径の関係

図８から，レーザ計測による推定体積と乾物重推定指標値の間に強い相関関係があると予想される．相関係数は 0.901 と高く強い相関がある(有意水準 1％)．

5. まとめ地上レーザスキャナ計測により水稲の三次元形状特性の抽出を行った．抽出結果と慣行計測結果を高さ方向，水平方向，そして三次元形状として体積に置き換えて比較を行った．
その結果，水稲の三次元形状特性の計測において，高さ方向，体積に関して強い相関関係を得られたので，レーザスキャナ計測が有効な計測手段である示唆された．

図 8 乾物重推定指標値と円錐モデル体積の関係

6. 参考文献
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第1報

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