2020年１月富山県農林水産総合技術センター森林研究所
この手順書は，ドローン（UAV，無人航空機）による動画および静止画の空撮と静止画像の解析による資源量推定に関して，富山県森林研究所がこれまで蓄積したノウハウをまとめたものであり，富山県森林技術開発研究費による研究課題「ドローン空撮画像を用いた新たな森林管理手法の開発（平成29年～令和１年）」の成果の一部です。本書が今後の森林調査にドローンを使用する方々の参考になれば幸いです。なお,ドローンの導入や基本的な設定については, A5判の「とやまの森と技術No.3ドローンの導入と撮影入門」にまとめましたので，これから導入を検討する方はそちらをまずお読みください。魚津市松倉県営林の空撮画像
1．本書で取り扱うドローンについて………………………………… 1

1本書で取り扱うドローンについて
ドローンには，レーザースキャナを搭載したもの，マルチスペクトルカメラを搭載したもの，光学式カメラ（通常のデジタルカメラ）を搭載したものがありますが，本書で扱うのは，一般的に販売されている光学式カメラを搭載した物です。以下の説明では，森林研究所が所有しているDJI社1（中国）のPhantom4 ProというドローンとApple社²（米国）のiPad mini4というタブレットの組み合わせによる手順を説明するので，他の機種を使用する場合には，機種に依存する部分を読み替えてください。Phantom4 ProとiPad mini4の写真を図1－1に示します。ドローンの操縦にはライセンスは必要ありませんが，航空法を遵守する必要があります。詳しくは国土交通省の無人航空機（ドローン・ラジコン機等）の飛行ルールのサイト³をご覧ください。なお，令和２年以降，重さ200g以上のドローンは登録制になるとのことです。 Phantom4 Proの設定や手動操縦にはDJI GO 4アプリ4 （Android,  iOSに対応）を使用しますが，その使い方については本書で解説しません。機体のマニュアル5にあるアプリの使用法をよく読み，基本的な設定，操縦方法は各自習得してください。市販本6も参考になると思います。なお，UAVを用いた材積推定については，本書とは別に，林野庁も，「UAV立木調査マニュアル」（平成30年度，国有林における収穫調査等の効率化手法実践体制構築委託事業報告書，平成31年3月）をPDFファイルで公開しているので，そちらも参考にしてください。
2動画の撮影
動画の撮影から編集までのフローチャートを図2－1に示します。
２−１動画の撮影準備
まず初めに撮影対象森林の場所を特定します。施業予定地の外周を示すポリゴンデータ1のシェープファイル8があればそれを入手します。入手したシェープファイルは,無料GISソフトウェアの，QGIS®，Google Earth Pro¹⁰およびカシミール3D¹¹用データに変換します。データ変換が自力でできない場合は森林研究所で行いますので,遺慮なくお申し出ください（特に，カシミール3D用のデータには，森林研究所所有のGISソフトウェアであるTNTmips12がないと変換できません。）施業予定地のポリゴンデータをQGISで表示した例を図2－2，2－3に示します。 QGISはシェープファイルをそのまま開くことができますが，その際，データの測地系と座標系を指定する必要があります。下図ではシェープファイルをWGS84測地系の経緯度座標系（EPSG 13：4326）で表示しています。 QGISはオンラインでGoogle社の地図や衛星写真，国土地理院のオルソ写真や地理院地図などを無料で表示することができます。図2－3は，Google社の衛星写真と地名等を組み合わせた，ハイブリッド地図の上に，施業予定地ポリゴンを半透明で表示したものです。このような地図画面を眺め回すことにより，施業予定地周辺の地形や地物の情報を得ることができ，周辺の道路状況の把握，離陸地点の探索や現地集合場所の決定等の参考になります。施業予定地のポリゴンデータを半透明にしてGoogle Earth Proで表示した例を図2－4，2－5に示します。Google Earth Proはシェープファイルを開くことができます（測地系＝WGS84，座標系＝経緯度，文字コード＝UTF-8の場合のみ）。データを読み込んだ後は，垂直表示（図2－4）と斜め表示（図2－5）を切り替えたり，マウス操作で視点や目標点を自由に変えることができるため，地形の起伏に関する情報を得られ，ドローンの飛行イメージ作りの参考になります。また，Google社の衛星写真は国土地理院のオルソ写真が存在しない場所も整備され，撮影時期も新しいものが多く，数年前に作設された作業道なども写っており，大変重宝します。カシミール3Dで地理院地図＋スーパー地形と施業予定地ポリゴンを重ね合わせた画像上で，断面図作成用の折れ線を描いた画面例を図2－6に，また，その断面図を図2－7にそれぞれ示します。םx
図2－7.断面図を表示したところカシミール3Dは標高データとの相性がよく，ドローンの飛行高度を決める際の参考情報を提供してくれます。なお，図2－5に黄色で示した施業予定地の外周線を表示するには，GISツールプラグイン（無料）14が必要です。また，スーパー地形セット15の継続利用にはライセンスの購入が必要です（3日間は無料で使用可）。 QGIS, Google Earth Proおよびカシミール3Dで離陸地点や飛行コースを検討し, DJI社製自動空撮アプリのGS PRO（無料，iOSのみ対応）16で作成した自動飛行ルートの例を図2－8に示します。この計画では，離陸後，高度148.2m（離陸地点からの高度差）まで上昇し，（S）の地点で動画撮影を開始し，○の地点を経由しながら反時計回りで飛行し，●の地点で動画撮影を終了し，自動帰還する，という手順になっています。なお，GS PROで施業予定地のポリゴンを表示するには，KML／SHPファイルのインポートモジュール17を別途購入する必要があります。また，飛行モードはウェイポイントモードにする必要があります。図2－8.  GS PROで自動空撮計画を作成,表示したところ飛行計画の立案に当たっては，航空法上の制限（飛行高度150m以下，目視内飛行など）に従ってください。制限を超える場合には，国土交通省に無人航空機飛行許可申請を行う必要があります。詳しくは飛行申請ガイド18を参照ください。必要に応じて現地の下見や飛行計画の再検討を行ってください。また，撮影日および予備日の決定と見張り役の手配を行ってください。
2 – 2動画の撮影
現地に着いたら，予め目星をつけていた離陸予定地点に立ち，撮影範囲の見通しを確認します。よりよい見通しが得られる地点があれば，そちらへ移動します。また，見張り役を撮影範囲内外の見通しのよい場所へ配置します。動画の撮影方法には，手動撮影と自動撮影の2種類があります。手動撮影にはDJI社のDJI GO 4アプリを使用します。参考のために，DJI GO 4の画面を図2－9に示します。常に機体から目を離さず，耳を疑らして目視内飛行で撮影します。図2－9. 手動動画撮影中のDJI GO4の画面例動画の自動撮影には，前述のGS PROを使用します。自動撮影の場合も,目と耳を使って機体の位置を常に把握するよう心掛けてください。万が一，機体のビジョンセンサー（障害物を検知するセンサー）が働いてホバリングに入った場合（GS PRO画面上で機体が移動しなくなった場合）には，慌てず，自動飛行終了アイコンをタップして手動に戻し，リモコンのスティックを使って機体を上昇させてください（上空に障害物がないとき)。その後、リモコンの自動帰還ボタンを長押しして自動帰還(離陸地点上空に戻り，高度を下げて自動着陸）させてください。なお，自動操縦から手動操縦に切り替える場合には，機体とリモコンの距離が遠いと無線LANの電波が届かず,命令が効かないことが考えられるので,なるべくリモコンの近くを飛行させる(操縦者から遠く離れた場所まで飛ばさない）よう心掛けてください。
2 – 3動画の編集
Phantom4 Proで動画を撮影すると，機体に挿入されたmicro USBカードには動画ファイルが２種類保存されます。ひとつは¥DCIM¥フォルダ下に保存されるもので,これは4K画質(3840x2160)の動画(図2－10)であり,もうひとつは, ¥MISC¥フォルダ下に保存される縮小版（1280x720）の動画（図2－11）です。 4K対応のディスプレイで動画を表示する予定がない場合には，縮小版を編集し，上映するのがPCや編集ソフトウェアの負担を軽くできます。動画の編集ソフトには,サイバーリンク社のPowerDirector¹9，アドビ社のAdobe Premiere²0などの有料ソフトのほか，無料のソフトも存在します。それらのソフトを使用し，タイトルや宇幕などを入れ，森林所有者向けの説明会等で上映すれば，関係者の合意形成の役に立ちます。
３静止画の撮影
静止画の撮影から資源量推定までのフローチャートを図3－1に示します。
３−１静止画の撮影準備
静止画像を解析して材積推定までを行う場合には，GCP（地上基準点，撮影時には対空標識を設置する）の精密測量が必要になります。これは，ドローン画像から得られた樹頂点標高値と，国土地理院や航空測量会社が作成した地表面標高値との引き算から得られる値を樹高とする際に，樹頂点と地表面の正確な位置合わせをする必要があるからです。対空標識を設置する静止画撮影の場合には，入念な下見が必要になります。森林研究所では下見の際に，GPSロガーを接続したノートPCとモバイルルーター21を4輪駆動車に載せ，カシミール3Dで地図（オン(オフ)ライン地図やオルソ写真など）と現在位置を表示しながら林道や作業道をゆっくり走行し，GCP侯補地点となり得る，上空の開けた場所（対空標識が上空から見える必要があるため）を探索し，その都度停車してガーミンGPSでウェイポイントのマークや，位置情報付き写真の撮影をしています。下見後のカシミール3Dの画面の例を図3－2に示します。 (黄:撮影対象,赤:車の軌跡,青旗: GCP候補点,写真アイコン:写真の縮小版)図3－2.下見後のカシミール3Dの画面例21 BWi-Fi%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC森林研究所では，Emlid社²²（ロシア）のReach RS+という測量機器を使用し，上空が開けた場所にGCPを設置して1～数時間の静止測量を行った後，データを研究所に持ち帰り、国土地理院の電子基準点における観測値と無料解析ソフトウェアのRTKLIB 23を利用してGCPの座標値を得ています。解析に当たっては，RTKLIBによる解析²4，というサイトを参考にしていますが，実際の測量に当たって疑問のある方は森林研究所にご相談ください。撮影には自動撮影アプリを使用します。自動空撮アプリには, DJI社のGS PRO25, Pix4D社のPix4Dcapture26や，VC Technology社のLITCHI27などがありますが，個々のアプリの具体的な使用方法については各アプリのマニュアルを参照願います。 Pix4Dcaptureで作成した自動静止画撮影計画の画面例を図3－3に示します。この計画では，撮影範囲右上の[START]から，左下の[END]まで，361x530mの範囲をジグザクに，16分21秒かけて飛行高度80mで飛行することになっています。ちなみに図3－3の飛行計画は，Pix4Dcaptureの5つの飛行モード（POLYGON, GRID, DOUBLE GRID, CIRCULARおよびFREE FLIGTH）のうち，GRIDモードで作成したものです（図3－4）。また，GRIDモードの規定値は，Angle of the camera＝90度（カメラを鉛直真下に向けた直下視撮影） Front overlap＝80％（ドローンの進行方向に沿った写真の重複率が80％)，Side overlap＝70％（ドローンの折り返し前後の飛行コース間の写真の重複率が70％)，Drone speed＝Fast（飛行速度最高）となっています（図3－5）。なお，見張り役の手配などの都合で，別の日に撮影のやり直しを行うのは困難な場合もあるので，念のため，2種類の飛行高度で撮影計画を作成し，2回の自動空撮を行うことをお薦めします。また，材積推定には直下視撮影（GRID）だけで必要十分な画像データが得られますが，精細な３次元モデルを作成，表示するためには，樹木の幹の部分もある程度撮影できる、ダブルグリッド（DOUBLE GRID）モードがお薦めです。
PROJECT LIST TUTORIAL/HELP
3 – 2静止画の撮影
現地に着いたら，予め目星をつけていた離陸予定地点に立ち，撮影範囲の見通しを確認します。よりよい見通しが得られる地点があれば、そちらへ移動します。また、見張り役を撮影範囲内外の見通しのよい場所へ配置します。ドローン本体，リモコン，iPadをセットし，予めPix4Dcaptureで作成しておいた飛行計画（Project）一覧（図3－6）から目的のプロジェクトを選択すると、iPadの画面には，撮影範囲とiPad（青丸アイコン(●)）および機体の位置（ドローンのアイコン(赤色が前)）が表示されます（図 3－7)。画面右下の[START]をタップすると,接続状態，バッテリーレベル，衛星教等のチェックが行われ，全ての項目にチェックマークが付いた後，チェックリストウィンドウ右下の[Start]をタップします（図3ー 8)。離陸後，機体は設定した高度まで上昇した後，[START]地点（図3－7撮影範囲の右上隅）に移動し，[END]地点に向けてジグザグに飛行し，撮影地点に順番にカメラのマークが表示されていきます（図3－9，10）。撮影ミッションが終了すると，ドローンは自動で離陸地点に戻り，着陸します（図3－11）。静止画の場合も動画の自動撮影の場合と同様に,目と耳を使って機体の位置を常に把握するよう心掛けてください。万が一，機体のビジョンセンサーが働いてホバリングに入った場合には，慌てず，自動飛行終了アイコンをタップして手動に戻し，リモコンのスティックを使って機体を上昇させてください（上空に障害物がないとき）。その後，リモコンの自動帰還ボタンを長押しして自動帰還させてください。なお，自動操縦から手動操縦に切り替える場合には，機体とリモコンの距離が遠いと無線LANの電波が届かず，命令が効かないことが考えられるので，なるべくリモコンの近くを飛行させる（操縦者から遠く離れた場所まで飛ばさない）よう心掛けてください。また，飛行中にバッテリー残量が少なくなり，警告が出た場合には，Pix4Dcapture画面右下の[PAUSE] (図3－9, 10参照)をタップしてミッションを中断し, [GO HOME]をタップしていったん機体を自動帰還させます。着陸後，バッテリーパックを交換し，Pix4Dcapture画面右下に出る[RESUME]をタップするとドローンは自動で中断箇所まで戻り，残りの撮影範囲を空撮してくれます。
9:48  11月13日(水) 9:50 11月13日(水)撮影が無事終了したら,マイクロSDカードをノートPCに挿入し,カシミール3Dのデジカメプラグインで写真の撮影位置を表示し,撮影漏れ(サムネイル画像の隙間)がないかを確認します（図3－12参照）。
4静止画の解析
4 – 1 SfMソフトウェアによる写真測量
ドローンで撮影した静止画を全てMetashapeで指定し，まずは写真のアラインメントを行います。アラインメントとは，複数の写真画像から，同一の特徴点を探し出して，写真同士を結合させることです。設定精度は「最高」,「高」,「中」,「低」,「最低」の５段階のうち，経験的には「中」がよいと思われます。全ての写真がアラインされるのが理想ですが、アラインされない写真が出た場合には、再アラインを行うことによってアライン済みの写真が増える場合があります。アライン後にゴミ（異常な点）が出た場合には手動で削除します。ここでプロジェクトに名前を付けて一度保存します。アラインメント後のMetashapeの画面例を図4－2，4－3に示します。この事例では，撮影した全369枚の写真のうち，354枚がアラインされ，約30万個の共通特徴点（タイポイントと呼ばれる）が抽出されています。 (369枚中354枚の写真がアラインされた)図4－2.アラインメント後の画面例1現場に設置した対空標識（GCP）を，写真画像から見つけ，その中心点をマークします。1枚の写真上で対空標識をマークすると，ソフトウェアが自動的にほかの写真の該当部分を推定してくれるので，それを微調整して位置決めをしていきます。全ての対空標識のマーキングが終わったら，予め作成しておいたGCPの座標（経度，緯度，標高）ファイルを読み込み，全GCPにチェックを入れ，全写真のチェックを外し，カメラ最適化を行います。ここでプロジェクトを上書き保存しておきます。カメラ最適化後のGCPの情報が表示されている画面を図4－4に示します。
図4－4.力メラ最適化後の座標データ画面
次に高密度クラウドの構築を行います。高密度クラウドとは，タイポイントを元データとして，画像相関法によって増殖させた３次元の点群データのことです。これも設定精度には5段階ありますが，経験上，「中」がよいと思われます。この高密度点群データの最寄りの3点で三角形を作り，3次元の面的なデータに変換するのがメッシュ構築です。設定は，自由形状（3D）でポリゴン数は「高」がよいと思われます。高密度クラウドとメッシュの画面を図4－5，4－6にそれぞれ示します。この事例では, 5300万個以上の点群が作成され, 1000万個以上の面データが作成されています。 DEM²8の構築（メニュー上はDEM : Digital Elevation Modelとなっていますが,ここで構築されるのは樹冠の高さ等を含めた表面高なので，厳密に言うと DSM²9： Digital Surface Modelとなります）を行います。作成されたDSMに基づいてオルソモザイクを構築します。DEMとオルソモザイクの画面を図4－7, 4－8に示します。 DSMとオルソモザイクはGISソフトウェアで利用するために，Geotiff形式30でフアイルを保存します。詳細については森林研究所にお問い合わせ願います。必要があれば実地指導も行います。 (地上分解能:12.9cm/ピクセル)図4－7. DEMの表示画面
4-2GISソフトウェア他による資源量推定
Metashapeで作成したDSMはGISソフトウェアのTNTmipsでインポートし, JGD2011測地系，平面直角座標系第VII系の0.5mメッシュデータへ変換します。その際，リサンプルの方法はbilinear（共一次内挿³¹）を指定します。0.5mメッシュのDSMに対して，3x3ピクセル，5x5ピクセル，7x7ピクセルの3種類の局所最大値を求め，３種類の樹頂点候補とします。Metashapeで作成し，TNTmipsでインポートしたオルソモザイク画像と樹頂点候補を重ね合わせて表示し，3x3, 5x5, 7x7のうち，オルソ画像で判読できる樹頂点と最も適合性が高い種類を採用し，樹頂点とします。樹頂点の例を図4－9に示します。図4－9. TNTmipsでの樹頂点の表示画面別途用意したDTM32（Digital Terrain Model）をDSM（0.5mメッシュに変換したもの）に合わせてリサンプルします。この場合もリサンプル法はbilinearです。 DSMからDTMを引いて（減算して），DCHM（Digital Canopy Height Model：樹冠高モデル）を作成します。DCHMにマイナス1（－1）を掛け，高低を反転させた画像を作成し，個々の樹冠が逆立ちしたもの（円錐を逆さまにした漏斗状の空間）の集水面積を求めます（Watershed法）。この集水面積が個々の樹木の樹冠面積になり32ます。樹頂点のＸ（東西座標)，Ｙ（南北座標)，Ｚ（樹高）座標を持つ３次元ポイントデータを作成し，属性データとして，Ｘ，Ｚ値と樹冠面積を持たせます。別途実施した地上調査のプロットのポリゴンでこのポイントデータを切り出します。切り出したポイントデータと地上調査立木とを１対１で対応させ，ドローン起源の樹冠面積と，地上調査起源の胸高直径の回帰式をExcelで求めます。樹冠面積と回帰式から推定胸高直径を求めます。ドローン起源の樹高と推定胸高直径から、立木材積式を用いて個々の立木の材積を計算します。プロット外の林分についても回帰式から胸高直径を推定し，材積を求め，全域の材積（資源量）を推定します。詳細については森林研究所にお問い合わせ願います。必要があれば実地指導も行います。一施業計画の立案や資源量把握のために一令和２年１月６日発行富山県農林水産総合技術センター森林研究所〒930-1362 富山県中新川郡立山町吉峰3 TEL 076-483-1511    FAX 076-483-1512 http://www.fes.pref.toyama.jp/担当小林裕之kobayasi@fes.pref.toyama.jp