地上型レーザスキャナの反射強度情報の特性と利用可能性
環境リモートセンシング研究室 10103691 佐藤奈穂
指導教員 力丸厚 坂田健太
１． 背景
3 次元レーザ測量は計測対象物の 3 次元座標データを取得し、高精度な計測を期待できるリモートセンシング技術のひとつである。この 3 次元レーザ測量に用いられるレーザ波長帯は短波長赤外域(1300nm-2500nm)であり、物体に水分が存在する場合、光を吸収する性質がある。リモートセンシング分野において、
この吸光帯の反射率を用いた地表面や植生の水分量の評価手法等への利用が進んでいる。
この 3 次元レーザ測量には航空機にスキャナを搭載して計測を行う航空レーザ測量と地上にスキャナを据え付けて計測を行う地上型レーザ測量の二種類が存在する。小林ら(2005)は、航空レーザ測量による土壌水分量推定の可能性を示唆しているが、計測対象への距離や角度が一定とされ、地上レーザ測量ではこれらが大きく影響すると考えられる。1)これを受け晒(2012)は距離と角度に関する実験を行い、それらの影響について検討している。2)
２． 目的
本研究では、幅の異なる格子状の試験体を作成し、距離を変えレーザスキャナで反射強度を計測し、レーザスポット内に対する格子の占有率に伴う反射率減衰傾向について検討することを目的とした。図 1 は計測距離 36m(レーザスポット径 12.6 ㎜)の時の照射イメージである。併せて吸光特性を持つ短波長赤外域に着目し、レーザスキャナ計測による土壌と植生の反射率と含水量を比較し、土壌と植生の含水量推定への利用可能性について検討した。

図1

格子とレーザスポット

３． 使用機器
本研究で用いる RIEGL 社製 VZ-400 は、最速 122,000 点/秒もの高速かつ高精度、高密度な測定を行う三次元地上型レーザスキャナである。表 1 に VZ-400 の仕様を示す。
表1
RIEGL 社製 VZ-400 仕様
最速有効測定レート 122,000 点/秒
最短測定距離1. 5 m
波長帯1550 nm(近赤外)
ビーム広がり角0.35 mrad※※計測距離 100m で 35 ㎜のレーザスポット径に相当する。
４． 圃場反射強度計測
2013 年 7 月 21 日、8 月 28 日にホープイン中沢の生育状態が異なる 2 つの圃場全体を VZ-400 で計測した。全ての計測において距離ごとの反射率の減衰がみられた。図 2 は圃場計測の一例である。
減衰の原因として、レーザスキャナが短波長赤外の波長帯を持つため吸光された可能性、レーザスポット内に対する水稲の占有率の影響等が考えられる。

図２

器械点からの距離と反射率(2013 年 7 月 19 日計測)

５． レーザスポット内に対する計測対象物の占有率と反射特性幅の異なる木材を格子状に並べた格子試験体を距離を変え設置しレーザ光が垂直に当たるよう反射率計測をした。表 2 は格子計測の概要である。
表 2 距離ごとのレーザスポット径
測定距離[m] 角度ピッチ[deg] レーザスポット径[㎜]40.0131.4120.005
4.2360.00112.6
360.004
12.6格子幅が広く、レーザスポット径が小さい(計測距離が短い)程レーザスポット内の格子の占有率が高くなる可能性が高くなる。図 3 に格子の中心にレーザスポットが当たった場合のレーザスポットに対する格子の占有率と反射率、図 4 にレーザ照射効率 a と反射率の関係を示した。
a = 𝑤𝑙 /𝐷 (1)(a:レーザ照射効率 wl:格子幅[㎜]D:レーザスポット径[㎜])60

反射率[%]

50403020100010203040506070占有率[%]
図３占有率と反射率8090 10060

反射率[%]

5040302010000.5
図４11.5
レーザ照射効率 a
レーザ照射効率と反射率2

図 3、図 4 より格子幅が広い程反射率が高く、スポット径が小さい程反射率が高い。つまり、レーザスポット内に占める計測対象物の割合が高い程反射率が高く、反対に割合が低いと反射率が低くなる可能性がある。レーザスキャナでほぼ同様の形状、材質の物を計測しても、レーザスポット内に占める計測対象物の占有率が反射率にも影響を及ぼすことが分かった。特に小さな物体を計測する際にはレーザスポット径に対する考慮が必要になる。

６． 土壌及び植生の含水量推定実験と解析
地上型レーザスキャナ計測による土壌と植生の反射強度と含水量の関係を検討するため、水稲と土壌の計測と重量計測による含水量計測を行った。

(Wd:減水重量[g]𝑊𝑟 [%] = 𝑊𝑑 ⁄𝑊𝑙 × 100(2)
W[%] = 𝑊𝑤 ⁄(𝑊𝑠 + 𝑊𝑤 ) × 100 (3)Wl:元の水稲重量[%] Ws:物質重量[g]Ww:水分重量[g])式(2)より水稲の減水率 Wr、式(3)より土壌の含水率 W を求めた。

反射率[%]

806040y = 0.1043x + 28.722
R = 0.7586

20040

図５5060
減水率[%]
水稲の減水率と反射率70

反射率[%]

806040y = -0.6334x + 54.421
R = 0.9304

2000

図６1020含水率[%]
土壌の含水率と反射率30

水稲は若干ではあるが減水率が高くなるほど反射率が高くなっている。土壌に関しては含水率が高くなるごとに反射率が低くなる傾向がみられた。
７． 分光計測器による検証実験
対象物の水分量による吸光特性の検証のため、ほうれん草と土壌の分光反射率と重量計測による含水率計測を行った。VZ-400 の波長帯である 1550nm に焦点を当て、含水率 W と反射率を比較した。
なお、ほうれん草も絶乾状態とし式(3)よりほうれん草と土壌の含水率を求めた。
80
反射率[%]

604020y = -1.1526x + 139.9
R = 0.7145

06570758085
含水率[%]

90

図７

ほうれん草表の反射率と含水率

反射率[%]

806040y = -1.5x + 69.172
R = 0.9713

200010
図８20含水率[%]30

土壌の反射率と含水率

図 7、図 8 より反射率と含水率に負の相関がみられた。特に土壌に関して相関係数 R=-0.97、図 6 よりレーザスキャナによる計測では R=-0.93 と高い相関を示している。
このことから短波長赤外域である 1550nm
波長帯において土壌は水分量による影響を受けることがわかる。一方、ほうれん草に関しては含水率65~80%のバラつきが尐ないことがみられる。
８． 総括
本研究では地上型レーザスキャナによって計測される反射強度情報において、計測対象物の占有率の低下に応じて反射率が減衰することが分かった。レーザスキャナの反射率における距離に応じた低下は、レーザスポット内に対する水稲の葉茎面の占有率が影響していることが示唆された。
地上型レーザスキャナによる土壌及び植生の反射強度計測に関して、含水率が高くなるごとに反射率が低くなる傾向がみられた。さらに分光計測器による分光反射率検証計測を行った結果、植生は含水率と反射率の間に強い相関をみることができなかったが、土壌に関してはレーザスキャナによる計測結果同様、含水率と反射率の間に R=-0.97 の強い負の相関の傾向がみられたため、反射率は水分量による影響を受けることが分かった。

参考文献
1) 小林伸行，山代行則，西河琢(2005)「GPS/IMU 搭載航空レーザ計測データの特徴およびその活用例」『農業土木学会誌第 73 巻第 6 号』pp.491-492
2) 晒希望(2012)「地上レーザスキャナの反射強度データ利用の可能性と問題点の検討」71 pp.