(別紙様式１０)２０２０年度 北極域研究共同推進拠点 共同研究等報告書【申請区分】：■萌芽的異分野連携共同研究□共同推進研究□産学官連携フィージビリティ・スタディ□共同研究集会【研究課題名】：□産学官連携課題設定集会

自作固定翼機材を用いた流氷観測システムの構築【研究期間】：2020 年度【共同研究員】
共同研究員

氏名

所属・職名

専門分野

研究代表者

松村寛一郎

東京農業大学・教授

UAV

北海道大学・助教

リモートセンシン（拠点内外）(注 2)

研究分担者 ラム・アブタル
（拠点外）

グ
一ノ瀬俊明

国立環境研究所

自然地理学

研究分担者 的場 澄人

北海道大学・助教

氷河、古気

(注 2)

（拠点内）
(注 2)

研究協力者

森川浩一

役

(注 2)
(注 3)

株式会社オイコス・代表取締 ドローン映像撮
影・農薬散布Stanley Anak北海道大学・環境科学院・ 自 作 固 定 翼 機

Suab

大学院生

Deha Agus

北海道大学・環境科学院・ リモートセンシンUmarhadi

大学院生

Kaushik

北海道大学・環境科学院・ リモートセンシン

Mandvikar

大学院生

Raveena Raj

北海道大学・環境科学院・ リモートセンシン

材製作
グ
グ

大学院生

グ

Md Mustafizur

北海道大学・環境科学院・ リモートセンシン

Rahman

大学院生

グ

LOUW Albertus 北海道大学・環境科学院・ リモートセンシン
Stephanu

大学院生

グ

Wang Xiaoxiao

北海道大学・環境科学院・ リモートセンシン
大学院生

Xiao Juanグ

北海道大学・環境科学院・ リモートセンシン
1区分大学院生
Hitesh Supeグ

北海道大学・環境科学院・大学院生

Apisai Rinamalo

北海道大学・環境科学院・大学院生(注 2) 拠点内外については、募集要項別添の北極域研究共同推進拠点を形成する３研究施設の研究者リストをご覧ください。
(注 3) 計画申請書に含まれていなかった方でも結果的に本共同研究に参画された方（招へい者等）が居られれば、研究協力者として記述して下さい。
【研究の内容】(1) 概要を 400 字以内（文字のみ）で記載してください。
研究代表者と研究分担者（拠点外）は、マレーシアのパームオイル畑で運用されている固定翼機材を自作して自動飛行操縦により広大な面積の牧草地の管理システムの構築を行ってきた。北海道におけるインバウンド観光客の増加による流氷を活用した様々なアクティビティが行われているが、危険と背中あわせであることは否めない。流氷にのったまま観光客が漂流するような事態が発生した場合に、迅速に無人航空機を飛ばして、漂流する観光客を発見する仕組みがあれば、さらなる観光資源の開発につながる可能性がある。ドローンを用いて流氷上で撮影した連続写真を組み合わせたオルソ画像から凹凸情報を収集し流氷全体量の把握を試みるものである。インドの衛星会社の協力による Sentinel 衛星を用いた流氷観測の可能性、衛星データとドローンデータの融合の可能性、極低温状態でのドローンの運用を検証するために有線ドローンの可能性についても検討する。（３９８文字）(2) 図表や写真も交えて、研究の内容や成果等を 2000 字程度でまとめてください。
北海道大学環境科学院のマレーシアからの留学生である Stanley 氏は、本国において、高度１５００メートルからパームオイルの林を観測するための飛行機型のドローン製作と豊富な飛行経験を有している。同氏の協力を得て飛行機型のドローンを製作した。飛行経路を設定するためにミッションプランナーソフトを使い、地形データと合わせて機材に搭載されたフライトコントローラーの SD カードに記憶させる作業を行なった。飛行させる現場での地形データの読み込みと SD カードへの記憶作業は、インターネット回線の通信状況がよくなければ、しばしばエラーがおきることが確認されたために、飛行させる場所へ向かう前に作業を終了させることが望ましい。SD カード情報を事前に複数の場所に対応する形で用意できれば、現地での作業を簡略化でき、漁師の方への適用可能性も見えてきた。GoPro カメラで撮影した連続写真をオルソ化（合成）できることを確認した。

2

図 1. 製作された機材（左）とミッションプランナーの画面
自作固定翼機材を完成させるために、数回、札幌にある北海道大学環境科学院へ機材をもって向かい、試験飛行を飛行制限区域外である銭函周辺の砂浜にて行なった。飛行禁止区域を検出するためにドローンフライトナビアプリを使用した。市販の機材の場合は、飛行禁止区域が自動的に表示されて、飛行場周辺では絶対に飛行できないようになっているために、自作の場合は特に注意が必要である。また万一の場合にそなえて損保ジャパン社と粘り強く交渉し、自作固定翼機材に対する保険にも加入することができた。圧倒的な性能を持ち世界で高いシェアを誇る中国製のドローンの日本での運用が難しくなることによる国産ドローンの開発促進のための流れが影響したと思われる。
飛行経路を設定するためにミッションプランナーで飛行経路を設定して、経路に沿って飛行させることにも成功した。１月の銭函においては、厳寒状態ではバッテリーの電圧が不安定になり、サーボモーターの挙動が不安定になり、自動飛行ソフトの運用が困難になる現象が現れたが、バッテリーを搭載した機材全体を十分に温めた車中にしばらく置いておき、温めることで問題は解決した。試験飛行を行った日はいずれも海水浴シーズンを外した冬季であり、現地はかなりの強風であり回転翼機材では飛行が困難とされる表示が出る状況において、自作固定翼機材は安定して飛行できることを確認した。

図 2. 銭函周辺の飛行制限区域（左）と試験飛行の様子（右）3自作固定翼機材が飛行経路に沿って飛行するためには、ミッションプランナーソフトをインストールした PC に機材と接続するためのリンク機能を使い、周辺の地形データ（TERRAIN）と併せてデータを機材の SD カードに転送する必要がある。機材からデータ取得コマンドを選択することで、飛行経路および地形データが入っているかを確認した後に、マニュアルで飛行させて、レバーを自動飛行に入れてそこから経路に沿って飛行が始まる。レバーは３箇所にとどまるようになっていて、マニュアル、自動飛行、リターン（ホームポイントに戻る機能）となっている。

図 3. PC と自作機材とコントローラー（左）とフライトコントローラー内の SD カード
2021 年 2 月 8 日に北見工業大学の研究チームが紋別市所属の砕氷船であるガリンコ２世の貸切航海に参加したときの状況を紹介する。温度計を回転翼機材の下に吊り下げて 100 メートルまで上昇させて、１０メートル毎に降下させて搭載したカメラを下向けにして温度を読むという方法であるが、地表付近に比べて上空の温度が高い層（逆転層）の存在が確認された。（図 4 の左）と詳細な海氷の厚さを計測する仕組み（図 4 の中）と水中ドローン（図 4 の右）。回転翼機材はいずれも中国の DJI社製造のファントム３シリーズと４シリーズであり、その圧倒的なコストパフォーマンスをあらためて確認する機会でもあった。水中ドローンは、松村が不定期に使用しているものであるが、有線ケーブルの長さ 100 メートルまで稼働させることができる。水中の場合、電波が届かないので、正確なドローンの位置情報を把握することができず、連続写真を撮影してのオルソ化ができないことが、空中ドローンほど普及しない要因になっているという見方もある。少し上方に向けることで、流氷の下から上をみることができる。空中ドローンと組み合わせ、光の透過性を定量的に把握できる可能性がある。

図 4. 気温測定（左）、精細な地形情報測定（中）、水中ドローン（右）4以下に松村が持ち込んだ回転翼機材のファントム４シリーズで撮影したガリンコ号の動画からのスクリーンショットを紹介する。

図５. ガリンコ号と流氷（松村撮影）
この時に市販の固定翼機材であるフランス製の ParrotDisco を船内に持ち込んでおり、飛行させることも可能な状況にあったが、離陸はできるとしても回収に対する解決策をそのときには思いつかず、飛ばせなかった。後になってみれば、薄い氷であるので、氷上に着陸させて、ガリンコ号を着陸した地点まで航行させて長尺の竿で回収という方法もあったかもしれない。

図 6. 市販固定翼機材 ParrotDisco による FPV 飛行
2021 年 2 月 11 日から 5 日間の日程で北海道大学環境科学院の留学生のチームと湧別を拠点に自作固定翼機材の運用実験を行なった。参加者は、研究室を主宰するインド人のラムアブタル博士を中心として、自作固定翼機材の製作と運用に深い造詣を有するマレーシア人の Stanley 氏をはじめとする南アフリカ、フィージー、インドネシア、インド、中国、バングラディシュの各国からのメンバーとなる。同メンバーとは、夏季には岩見沢周辺のトウモロコシ農家である矢尾農場においての畑作の観測を継続して行なっており、冬季において観測の経験値を増やすという意図もある。滞在先
5

は、札幌からの高規格道路の終点になる遠軽からそれほど距離もない湧別にある昭和の香り満点の民宿で行なった。ホスピタリティ溢れる宿のオーナーの尽力で、宗教上の理由に合わせた食事を用意していただくことができた。1 人１部屋を確保でき、食事の時間もずらして摂取し、宿には２箇所の風呂があるが、徒歩圏に公共の銭湯もあり、東南アジア出身の留学生の滞在にとっても魅力的な場所だと思われる。光回線が入っており、WIFI 環境も十分な状況である。
この場所からほど近い、サロマ湖の突端にある竜宮岬において観測を行なった。また事前に建設現場の担当者と交渉し、飛行許可および女性専用の快適な温水シャワートイレ付きの屋外トイレの使用許可をいただくことができた。女性研究者の屋外での観測活動への参加という面では重要な点であると思われる。移動は、マイクロバスをレンタルしたために、寒くなった場合にはマイクロバスの車内で暖をとることもできる。また肉を食ないなどの宗教上の理由で食材に制限があるために、氷上での BBQ の準備をして場所だけを準備して、食材に関しては参加者が各自宗教上の理由にあったものを選択して、炭火で身体を温めながら、終日観測活動ができる環境を整えた。実際に BBQ を行う
際には、まずは菜食主義のメンバーのための肉を焼かない時間を設定し、野菜を中心に料理をして、それが終わってから肉を焼くという手順に入った。また神へのお祈りの時間が始まるなど考えさせられる屋外観測であった。

図 7. 昭和の香り満点の宿、個室、マイクロバスでの移動と屋外 BBQ の設定
現地へ向かう前に、宿にて事前に機材の組み立て、十分に温めた状態でのバッテリー充電、PCを使ったフライトプランの作成、機材の SD カードへの情報入力、また SD カードからの読込情報の確認、地形データの入力を行なった上で、現地に向かった。

図 8. 機材整備、バッテリー充電、フライトプラン作成

6図 9.現地での重心決定（左）、地上計測機器の設定（中）、離陸（右）この時は風が強く、現地に持ち込んだ回転翼機材は飛行が困難な状況であった。アクションカメラの GoPro5 カメラを搭載し、2 秒毎に連続写真を撮影した。撮影されたそれぞれの画像には、緯度・経度・高度情報が含まれている。それらの連続写真を画像合成ソフトである Pix4D Mapper 上に展開すると、軌跡が表示される構造になっている。軌跡を図 10 に示す。プログラムされた飛行経路を飛ぼうとしているが、ずれてしまっている様子が示されている。この状況であってもオルソ化と呼ばれる合成写真をつくることはできた。

図 10.強風下での飛行経路
風のない日に再び同じ場所で飛ばしてみた。風がないと飛行経路に沿って飛んでいる様子が示された。Pix4DMapper には 3D マップと 3D モデルを生成する機能があるために、取得した連続写真に対して、それぞれの手法で画像の合成を行なった。

図 11. 無風下での飛行経路と Pix4DMapper の多彩なオルソ化機能7

図 12. 3D マップ(左)、3D モデル（中）、拡大飛行経路（右）３D マップ機能を使うと全飛行経路の連続写真の合成が可能となったが、３D モデルであれば、集中的に何度か往復飛行をさせたところの合成が出てくる結果となった。目的に応じてオルソ化ソフトの機能を使い分けることの重要性が示された。
オホーツク海沿岸における不幸にして船から転落した漁師さんを見つける可能性が見えてきた。パソコンを立ち上げて、そこからフライトプランを漁師さんが自分たちでつくりあげるのは困難だと思われる。フライトコントローラー内に挿入する SD カードをそれぞれの漁協が存在する場所に併せてつくることで、漁師さんが、面倒な地形データのインプットやフライトプランの設定を現地で行う必要がなくなる。漁師さんは、カメラを連続写真撮影の設定をして、固定翼機材を離陸させてから、自動飛行に入ることで、あとは自動的に連続写真を撮影して、もどってきた機材を回収するだけでよい。その上で、連続写真を確認し、その中に漂流者が写っていないかどうかを探し、写っていた写真の緯度経度情報を救難者に伝える仕組みの構築が可能になる。
風の流れに沿う形での紋別から知床までの片道切符の飛行も技術的に可能である。離陸地点と着陸地点にまったく同じコントローラーを用意しておけば操縦システムを用意しておけば、紋別から知床まで飛行した機材が、知床側でのフライトコントローラーの信号を捉えて、自動飛行からマニュアル飛行に切り替えて着陸させることも技術的には可能である。
様々な機材が開発されているが、今回の自作固定翼機材は、マレーシアのパームオイル上空での飛行の蓄積がある。また材料費だけであれば、カメラを除けば 10 万円未満で製作可能となる。例
えば、固定翼機材製作セミナーを開催して、各漁協が独自に目的に応じて固定翼機材を運用し、いざ、救難活動が必要となったときには、機材を持ち寄って、捜索範囲を集中的に飛ばすことがあってもよいと考える。無限の発展の可能性があると確信する。
厳寒期においてはバッテリーの管理が重要となってくる。岡山にある会社の協力を得てドローンに有線で電源を供給する仕組みを開発した。機材はドローンブームのきっかけとなった DJI 社の初期のベストセラーであるファントム２の機材を使用している。この電力量は、電圧と電流の和で表現される。有線を細くするためには、電流量を少なくする必要があり、そのためには電圧を上げる必要があり、採用されたシステムは４００V の電圧となる。電源供給さえできれば長時間の安定飛行が可能となる。これを使った定点観測を行う仕組みの構築が可能になると思われる。流氷は風により流されやすい面もあるので、刻一刻と変化する流氷の様子を捉えることは興味深い。
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図 13. 有線ドローンの構成図

取得した流氷映像を気象庁が行っているサイトへの広告掲載の形を参考にして、紹介する仕組みをつくることも検討している。
謝辞
このような機会を与えていただいた北極域研究センターに感謝いたします。また無理な観測プランに対して最善の解決策を示していただいた鈴木氏に感謝いたします。
参考情報
ミッションプランナー、https://ardupilot.org/planner/
ドローンフライトナビ、https://applinote.com/ios/app/246602/、2021 年 2 月アクセス
気象庁ホームページへのウェブ広告掲載について
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/info/coment.html#ad_policy、2021 年 2 月アクセス9

(3) 本共同研究に関する活動・実績等を下表に記入してください。
①研究打合せ、学会参加・集会(注 4)、調査等(注 4)

研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者によるもの

日程(月日)

日数

活動内容

場所

(日)
2020.9.8

2

研究打合せ

札幌

研究代表者、共同研究分担者、研究参加者数

協力者、招へい者の参加者名・部署(人)

松村寛一郎、的場澄人

2021.2.7〜 4

ガ リ ン コ 号 上 で 紋別、 松村寛一郎

2.10の氷上観測

湧別

流氷観測＆撮影

湧別

2021.2.11

5〜2.152
１

松村寛一郎、ラムアブタル、Kaushik １１
Mandvikar 、 Raveena

Raj 、 Md

Mustafizur Rahman、Ms Momotaz、
LOUW Albertus Stephanu 、 Wang
Xiaoxiao 、 Xiao Juan 、 Hitesh Supe 、Apisai Rinamalo②研究論文
研究代表者並びに、研究分担者あるいは研究協力者が著者の関連論文がありましたら可能な限り記載ください。論文が複数ある場合は、そのフォーマットとして論文 1 の分をコピーして記載してください。
Matsumura K, Avtar R, Comparison between UAV and Satellite Data and Applying Deep Learning to Classify
Satellite Images for Agriculture Practices In The Eastern Hokkaido, ES Journal of Agriculture and Current

Research, Volume 1 Issue 1, 2020

Ichinose T., D. Tian, Y. Li: (2020) Verification of infection prevention control using a spatial random
walkmodel.

InternationalJournalofSocialScienceStudies,8(6),35-40.

https://doi.org/10.11114/ijsss.v8i6.4955
一ノ瀬俊明・田丹鶴・李一峰（2020）：時空間ランダムウォークモデルによる感染対策の検証．国立環境研究所社会環境システム研究センターディスカッションペーパー，2020-02（2020 年 5 月 7 日）
http://www.nies.go.jp/social/dp/pdf/jqjm1000000n00l8-att/2020_02.pdf
Liu K., Y. Murayama, T. Ichinose: (2020) Using a new approach for revealing the spatiotemporal
patterns of functional urban polycentricity: A case study in the Tokyo metropolitan area. Sustainable
Cities and Society, 59, 102176. https://doi.org/10.1016/j.scs.2020.102176
Lin, Y., T. Ichinose, Y. Yamao, H. Mouri (2020) Wind velocity and temperature fields under different
surface heating conditions in a street canyon in wind tunnel experiments. Building and Environment,
168, 106500 (https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.106500)
Ram Avtar, Suab S.A., Syukur M.S.B., Korom A., Umarhadi D., Yunus P. (2020) Assessing the Influence ofUAV Altitude on Extracted Biophysical Parameters of Young Oil Palm. Remote Sensing, 12(18), 3030;
https://doi.org/10.3390/rs12183030

10Ram Avtar, Komolafe A.A., Kouser A. Singh D, Yunus A., Dou J., Kumar P., Gupta R. D., Johnson B. A., Minh
HVT, Aggarwal A. K., Kurniawan T.A. (2020) Assessing Sustainable Development Prospects through RemoteSensing:

AReview.

RemoteSensing

Applications:SocietyandEnvironment.

https://doi.org/10.1016/j.rsase.2020.100402
Merghadi, A., Yunus, A. P., Dou, J., Whiteley, J., ThaiPham, B., Bui, D. T., Ram Avtar, Abderrahmane, B.
(2020). Machine learning methods for landslide susceptibility studies: A comparative overview of algorithm
performance. Earth-Science Reviews, 103225.
Hitesh Supe, Ram Avtar,Singh, D.; Gupta, A.; Yunus, A.P.; Dou, J.; A. Ravankar, A.; Mohan, G.;

Chapagain, S.K.; Sharma, V.; Singh, C.K.; Tutubalina, O.; Kharrazi, A., (2020) Google Earth Engine for
Detection of Soiling on Photovoltaic Solar Panels in Arid Environments. Remote Sensing, 12, 1466,
https://doi.org/10.3390/rs12091466
Kanichiro MATSUMURA, Susumu CHIBA, Ram AVTAR, Sumito MATOBA, Toshiaki ICHINOSE, Kouichi
MORIKAWA, Combining UAV and satellite image for monitoring drifting ice, Okhotsk Sea and Polar Oceans
Research 5 (2021) 36-40③研究書等著書
著書名・著者名

出版年月

出版社名

Ram Avtar, Teiji Watanabe (2020) Unmanned Aerial Vehicle:

2020

Springer Publication

Applications

inAgricultureandEnvironment,

ISBN

978-3-030-27157-2. (Matsumuraも分担執筆)④特許等出願
特許、実用新案、商標なし⑤研究発表(資料添付も可)
発表年月日

発表者名（共著者を発表タイトル

発表学会等名称含む）

発表

招待地

講演
(〇)

2020.12.11

Ram Avtar

Machine learning and Knowledge

Ongoogle earth engine to Sharing

line

model Arctic cosatl Symposium ,Mac
plain

lakes

depth. hine

Learning

Global Ecosystem and and

DeepEnvironmental Chnages Learningin the Arctic HaRP.
11inGeoinformatics

2020.12.11

Toshiaki Ichinose Racial Difference of Knowledge
OrdinaryOnFace Sharing

Temperatureline

Symposium,
MachineLearning
DeepandLearningin
Geoinformatics
2020.12.11

Kanichiro

Classifying

MatsumuraImagesThermal Knowledge

On

Sharinglineby using Deep Learning Symposium,
MethodMachineLearning
DeepandLearningin
Geoinformatics⑥国際シンポジウム等(資料添付も可)参加をした主な国際シンポジウム等
開催時期（年月）2020.12

国際シンポジウム等名称
The 11th Symposium on Polar Science

招待講演/議長の有無
無⑦本共同研究に関し実施(主催、共催、後援等)したシンポジウム・集会(注 6)等(資料添付も可)(注 6) 研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者以外を含む参加募集によるもの
開催日

実施形態

シンポジ地

(注 7)

ウム・集（国、県、目的及び概要

対象者

参加人数

(注 7)

(海外(注 8))

会等名称市など）(注 7)
形態:シンポジウム、セミナー、公開講座、ワークショップ、その他
対象：一般、地域、学生、研究者(注 8) 海外機関に所属するもの⑧本拠点共同研究に係る成果が科学研究費などの外部資金の応募(予定を含む)やプロジェクトに発展した例があればご記入ください。
12

・プロジェクト名・プロジェクトの主な プロジェクト期間

・プロジェクト概要

・代表者・関係者(所属)

財源(目的・期待効果、規模、参加・関係研究者

・金額

国等)

・予定の場合は、(予定)

・これまでの本共同研究との関と記載してください

連性(300 字程度)⑨研究成果が一般社会産業界などに還元（応用）された事例や新しい研究分野の開拓や教育活動に反映された事例(資料添付も可）⑩その他国際研究協力活動事例
事業名

概要

受入人数

派遣人数

⑪学会賞等受賞、アウトリーチ、取材、その他
年月日

所在・出典・新聞名等受賞者・関研究課題名・係者(所賞名・内容等属)2020 年 北京大学 当紅生態人物 当紅生態

一 ノ 瀬 俊 訪日本国立環6 月 20 http://www.popularecology.com/h-nd-27.html#_np=2_742 明

境研究所高級日研究科学家頼俊明（中国語）出演

記事コピ－等を添付してください。(URL を参照してください)⑫コロナ禍の影響と対策
本共同研究へのコロナ禍の影響と対策(改善・代替策、計画変更、工夫等)、助成金執行率(%)について記述してください。
影響の事象

対策の有無と内容(計画変更・中止、改善・代替策、工夫等)

緊急事態宣言に伴う出張自粛

オンライン等での打ち合わせに代替13