Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

① 金属回収処理事業所等への聞き取り調査より、電子基板の破砕には滑らずに破砕可能な、2軸型剪断破砕機が適していることが分かった。

② 粉砕した電子基板により仮焼温度と王水への金の浸出濃度との関係について検討を行った。450℃以上で王水浸出によりほぼ完全に金が浸出できた。450℃仮焼電子基板を対象に、浸出に用いる酸の種類、量、濃度、処理時間などを変えて浸出試験を行い、金の約90％の浸出が可能な条件を得た。

③ 上記浸出条件により電子基板から王水浸出した液を用いて、ベンチスケールで吸着試験を実施した。吸着剤を 0.1M 塩酸で洗浄し、予め微粒子を除去することにより、金吸着後の固液分離において自然沈降による処理が可能で、処理装置のコストを押し上げる全量の遠心分離は不要になった。

④ 洗浄後の吸着剤の有機物の分解除去条件を検討し、最適処理温度を得た。金銀の合計で36%のばい焼物を得た。

⑤ 以上の工程の最適化により構築した新規プロセスにより、廃電子基板約2kgを処理し、浸出工程で回収率約95%、吸着・洗浄工程で回収率80%以上、全工程としては含有する金の約80%を回収可能であることが分かった。洗浄処理後、吸着剤の焙焼により金と銀の合計で36%、不純物として二酸化けい素約40%、酸化りんを9%含有する回収物が得られた。電子基板に多量に含まれる鉄や銅は酸化物として5%以下に低減する事が可能となり、既存の研究による活性炭吸着に対して高い分離除去特性を示した。また、本プロセスを適用する事により、電子基板中の粗貴金属は、重量比にて約1/1000に1000倍濃縮することが可能となった。また、吸着剤調製用薬品および電子基板仮焼に係るランニングコストについて推算すると、100kgの電子基板を処理するのに9800円程度となることが分かった。

## （２）環境政策への貢献

電子基板全体から浸出工程で回収率約95%、吸着・洗浄工程で回収率80%以上、全工程で含有する金の約80%を回収可能で、金と銀の合計で36%含有する回収物が得られており、電子基板中の粗貴金属は、重量比にて約1/1000に1000倍濃縮することができた。また、ランニングコストの推算より、100kgの電子基板を処理するのに9800円程度となることが分かった。プラントの設置場所や既存の設備等の条件等で実際の処理に係るコストは大きく変動するが、現状の処理費用に対して特別多くの費用がかかるわけではないことが分かった。本手法は実処理プラントでも、特別な装置等も不要であり、地域ごとでの小規模な回収を想定していることから、廃棄小型家電等を収集している処理業者において、施設等のイニシャルコスト等大きな負担が要求されることもなく導入は容易で十分利用できると推察される。吸着剤の再利用による貴金属の濃縮が困難であることから、大幅な濃縮は難しく、中間処理費が上乗せされることになるが、使用している吸着剤の原料も道内で発生する廃棄物であるため、処理剤のコストは低減でき、廃電子基板に含まれる金、パラジウム等の高価な金属を非常に効率よく回収することができる。本プロセスは、地域ごとの回収・中間処理拠点などで排水処理設備等を有する処理場に設置した場合、運搬コストの削減と売却等の利益により、処理コストを回収できると考えられ、設備的にも経済的にも実現の可能性があると考えられる。

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない。

＜行政が活用することが見込まれる成果＞
本研究成果は、北海道内で発生するホタテガイ中腸腺廃棄物が原料であり、非常に高効率に電子基板等の貴金属を濃縮可能なプロセスであることから、運搬コストの削減と売却等の利益によって処理コストの一部が回収できると考えられ、中間処理拠点などで排水処理設備等を有する処理場に設置を提案するなど、行政的に活用が可能と考えられる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない。

## くその他誌上発表（査読なし）>

1) 富田恵一、若杉郷臣：北海道立総合研究機構工業試験場報告 Vol.315(2016 秋発行)「ホタテガイ由来吸着剤による電子基板からの貴金属回収技術」（予定）

## （2） 口頭発表（学会等）

1）2015年5月18日　2015工業試験場成果発表会ポスター発表「廃電子基板からの貴金属浸出技術の開発」

2）2015年9月8日 平成27年度資源・素材関係学協会合同秋季大会一般ポスター発表「電子基板からの湿式貴金属回収前処理としての仮焼および浸出処理の検討」

3）2016年6月1日　2016工業試験場成果発表会口頭発表「ホタテガイ由来吸着剤による電子基板からの貴金属回収技術」

4）2016年12月1日 産業技術連携推進会議知的基盤部会分析分科会 平成28年度分析分科会 第48回分析技術討論会 講演「ホタテガイ中腸腺を用いた廃電子基板からの貴金属回収」（工業系地方公設試験場対象 予想参加者数約100人 予定）

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）「国民との科学・技術対話」の実施

1）2015年5月18日　2015工業試験場成果発表会ポスター発表「廃電子基板からの貴金属浸出技術の開発」にて初年度研究成果紹介(道内中小企業を中心に一般市民向け、総来場者数500人)

2）2016年6月1日　2016工業試験場成果発表会口頭発表「ホタテガイ由来吸着剤による電子基板からの貴金属回収技術」にて研究成果紹介(予定)（道内中小企業を中心に一般市民向け、総来場者数602人）
3）2016年12月1日 産業技術連携推進会議知的基盤部会分析分科会 平成28年度分析分科会 第48回分析技術討論会 講演「ホタテガイ中腸腺を用いた廃電子基板からの貴金属回収」（工業系地方公設試験場対象 予想参加者数約100人 予定）

## （５）マスコミ等への公表・報道等

1) 2014年11月20日付け日経産業新聞(全国版)記事「ホタテ内臓で貴金属回収」

2) 2016 年 7 月 4 日付け日刊産業新聞（全国版）記事「MONDY INTERVIEW ホタテガイを金属回収に利用」

## (6) その他

特に記載すべき事項はない。

### 8 \. 引用文献

1) 富田恵一、若杉郷臣、高橋徹、長野伸泰：ホタテガイ中腸脹を用いた金属吸着材の試作、北海道立工業試験場報告 307(2008)p.69-75

2) (株)エコニクス：北海道のレアメタル資源調査及びリサイクリングに関する研究報告書 (2009)

3) 貴田晶子、白波瀬朋子、川口光夫: 使用済みパソコン中のレアメタル等の存在量と金属分析、廃棄物資源循環学会誌 20、(2009) p. 59-69

4) 井上勝利: バイオマス廃棄物の有効利用による有害金属の除去および有価金属の回収、Journal of MMIJ、123(2007)p.59-67

5) 作田庸一、小野富三：原子吸光光度法による写真廃液中の銀の定量、北海道立工業試験場報告 278(1979)p157-160

6) 中村崇: 小型家電のリサイクル—人工鉱床の展開—、廃棄物資源循環学会誌 20、(2009) p. 70–76

7) 原田幸明: レアメタル類の使用状況と需給見通し、廃棄物資源循環学会誌 20、(2009) p. 59–69

8)吉田文和:都市鉱山の経済学-エレクトロニクス製品を中心に-、Journal of MMI J、126(2010)p.166-171
廃電子基板に含まれる貴金属を回収するために、仮焼・酸浸出条件を検討し、木タテガイ中腸腺由来吸着剤を用いた吸着・洗浄・焙焼からなる新たなプロセスを構築した。各工程における条件の最適化を行い、含有する金や銀など

基礎検討の結果を基にして

課題番号:3K142004

ホタテガイ中腸臊を用いた廃電子基板からの貴金属回収技術の開発

研究代表者 富田恵一

ベンチスケールによる検討

# 吸着剂 熔烧
[英文概要]

# Development for Noble Metals Recycle Technique from Waste Printed Circuit Board Using Mid-Gut Grand of Scallop

Principal Investigator: Keiichi TOMITA

Institution:

Local Independent Administrative Agency Hokkaido Research Organization, Industrial Research Institute, Environment and Energy Research Division, Environment Technology Group, Chief for Analytical Chemistry

Nishi 11-chome, Kita 19-jo, Kita-ku, Sapporo-City, Hokkaido, 060-0819, JAPAN

Tel: +81-11-747-2936 / Fax: +81-11-726-4057

E-mail: tomita-keiichi@hro.or.jp

## [Abstract]

Key Words: Noble metal, Recycle, Recovery, Scallop, Adsorption, Printed circuit board, Waste, Mid-gut grand

In Hokkaido, scallop mid-gut gland that is discharged from the seafood processing factory a year more than 20,000 tons as waste with the increase in the production volume of scallops. The scallop mid-gut gland is found to have a high degree of selectivity and strong adsorption capacity for the noble metals in acid condition. Aiming to use the recovery of noble metals from small devices waste from houses as a new usage of the mid-gut gland of scallops, to target the noble metals such as gold and palladium contained in the waste of printed circuit board, regarding precious metal recovery processing flow from the waste of printed circuit board consisted in grinding, roasting, leaching, adsorption using the adsorbent form the scallop mid-gut grand, and the post-processing (such as incineration and re-dissolving and re-precipitation), it was considered these optimum processing conditions in each step.

It was to obtain the optimum conditions such as follows. After coarsely crushed waste of printed circuit board, calcined at $ 450^{\circ} $ C, most of the gold contained in the printed circuit board was leached with the solution obtained by diluting 1/2 the aqua regia to 1/2 under the conditions of the liquid-solid ratio of 5 times. Then leaching solution was diluted to aqua regia 1/10 concentration, was added to the adsorbent derived from scallop mid-gut gland so that the liquid-solid ratio of 100, settled in natural sedimentation and washed repeatedly by 0.1M hydrochloric acid, finally dehydrated by centrifugation, the noble metal from the base metal that is coexisted in the large amount of leachate have been separated. It was obtained that crude noble metal which is contained the silicon dioxide as the main impurities by roasting the adsorbent after separation at $ 700^{\circ} $ C after air drying. It was developed a novel noble metal recovery process from the printed circuit board waste. Under the conditions, the bench-scale recovery test from the printed circuit of about 2kg was carried out, 80% recovery rate of gold in the entire process, can be concentrated up to
1/1000 in mass to the printed circuit board, the resulting crude precious metal content of was 36% in total of gold and silver.
課題名 2RF-1301 バイオマスモニタリングのための現地サンプリング手法の開発

課題代表者名 加藤 顕 （国立大学法人 千葉大学 園芸学研究科 緑地環境学コース 緑地科学領域）

研究实施期间 平成25～26年度

累計予算額 24,096千円（うち26年度12,682千円）

予算額は、間接経費を含む。

本研究のキーワード REDD+、レーザー、バイオマス、モニタリング、リモートセンシング

研究体制

(1) バイオマスモニタリングのための現地サンプリング手法の開発（国立大学法人 千葉大学）

## 研究概要

### 1. はじめに(研究背景等)

国際環境政策であるREDD+(開発途上国における森林の破壊や劣化を回避することで温室効果ガスの排出を削減するプロジェクト)では、森林をモニタリングする技術として、広域でのデータ取得が前提であるため、衛星リモートセンシング技術が利用され、土地利用変化を抽出する手法が確立している。しかし、その結果を検証するための正確性の高い現地データの入手が難しい。クレジットが市場で取引されるため、正確性の高い現地データは必要である。途上国では森林測定に必要な現地調査に必要な機材がない。そういった地域ではマニュアルで測定しているため、得られたデータの質を保証できない。

炭素蓄積量の算出方法に関して、従来は土地被覆図や土地利用図から「森林」と分類されている場所に、森林区分毎に「平均材積」を掛け合わせて、森林域全体の炭素蓄積量を算出している。しかし、平均材積値を地域レベルに一律で適用することは、同じ地域であっても気候、地形、地位、樹種の違いがあるため正確とは言えない。そのため、REDD+プロジェクトに参入する民間企業や各国政府は新たに材積量を調査しなくてはならない状況も出てきている。プロジェクトを推進するためには、正確で簡易な調査手法が、REDD+には望まれている。

本研究は、熱帯林に地上レーザーを導入し、正確な調査手法を確立することを目的としている。熱帯におけるバイオマスモニタリング手法として地上レーザーに注目した理由は、従来の手法に比べて、汎用性、コスト、解析時間、正確性、解像度、すべての項目で地上レーザーによるデータ取得が最適であるためである。(表1)。

表1 従来の手法と地上レーザーによる手法との比較

人による測定	航空機レーザーによる測定	地上レーザーによる測定
1. 汎用性	✗	△	◎
2. コスト	✗	✗	◎
3. 解析時間	✗	○	◎
4. 正確性	✗	○	◎
5. 解像度	○	○	◎

### 2. 研究開発目的

本研究は最新の地上レーザーを用いて、長期モニタリングプロットにおいてレーザーデーターを取得し、得られた3次元データから自動で毎木調査を行い、バイオマスモニタリング手法の確立をする。地上レーザーデーターをGPSと連動させることで、位置座標が付いたデータとしてアーカイブ保存ができ、同じ場所で再度測定できるようにする。その結果、炭素蓄積量や成長量変化を客観的に評価できる。

現地サンプリング手法の開発を行うために、研究期間2年のうち初年度は、市販されている地上レーザーセンサーの中で安価なSICK LMS511を用いた簡易型地上レーザーを用いて、熱帯林でデータ取得を行う。安価なセンサーは途上国でも購入可能な価格となっている（センサー価格は100万円以内）。独立電源である乾電池で動くシステムを構築し、途上国のどの森林でも持ち運べるようにする。最終年度は、その地上レーザーを用いたサンプリングデザインを検討する。安価なセンサーを用いた簡易地上レーザーの設置場所を検討した。そのための新たなサンプリング手法（現地調査方法）を考え、簡易型地上レーザーだけで広域のバイオマスを正確に推定できるようにすることを目的としている。
### 3. 研究開発の方法

本研究は、簡易型地上レーザーを用いて熱帯林のバイオマスを広域に推定する手法を確立することであり、そのためには、以下の3つの視点で結果をまとめたい。

①簡易型地上レーザーの性能

②簡易型地上レーザーと高精度地上レーザーとの比較

③サンプリングデザインの結果と考察

以上の3つ観点から結果と考察を行うために、以下に7つの項目（1）地上レーザー、（2）衛星画像データ、（3）現地調査データ、（4）バイオマス算出方法、（5）地上レーザーデータ解析方法、（6）サンプリングデザインについて以下に説明する。

## （１）地上レーザー

本研究で用いた地上レーザーは照射距離が短距離型タイプと長距離型タイプの2種類のセンサーを用いた。長距離型センサーは高精度センサーで、3次元データが最も詳細に取得できる一方で、高額で輸出規制品となっている。本研究開発での成果を世界的標準手法にすることであり、安価なセンサーでも正確性の高い現地調査ができるようにしなければならない。

安価なセンサーである SICK LMS511 によるレーザースキャナーは千葉大学環境リモートセンシング研究センター 梶原康司 講師、本多嘉明 准教授の研究協力により、ラインセンサー型である SICK LMS511 のセンサーの下に回転台を取り付け、360度回転するスキャナーとした（表2,図1）。

地上レーザーによるデータ取得は、沖縄琉球大学演習林と国頭村の国有林、インドネシア ボゴール植物園、ボゴール農科大学演習林であるHutan Pendidikan Gunung Walat、オーストラリアのRobson's Creekの熱帯林にてデータ取得を行った（表3）。

## （２）衛星画像データ

地上レーザーは照射距離に限りがあるため、広域を評価するためには衛星画像等の広域データと併用する必要がある。地図のない途上国熱帯林でも事前に地上レーザーを設置する場所を決めなければならない。比較的低価格の高解像度衛星画像を用いることで、現地の森林状況の把握とレーザーセンサーを設置する場所の状況を知る基礎データとして使用した。使用した衛星画像が、RapidEye衛星画像（解像度5m）と、さらにより高解像度であるGeoEye-1衛星画像（解像度0.5m）を用いた。

## （３）現地調査データ

本研究で対象とする森林は、国内では沖縄琉球大学与那フィールド科学センターまたは国頭村国有林を調査対象とした。国外では、インドネシアボゴール植物園の熱帯林、ボゴール農科大学演習林と、オーストラリアオーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）のスーパーサイトの一つである

表2 本研究で使用した2種類のレーザーセンサー

センサ一名	RIEGL VZ400	SICK LMS511
レーザー波長最大照射距離測定レンジ	1550 nm（近赤外域）600 m水平 360° x 垂直100°	905 nm（赤外域）40 m水平 360° x 垂直150°
表 3 本研究で測定した対象地一覧

調査場所	使用した地上レーザーセンサー	データ取得日
沖縄	琉球大学濱習林	RIEGL VZ400 SICK LMS511	2013年8月
国頭村国有林	2014年8月
インドネシア	ボゴール植物園	SICK LMS511	2013年9月
ボゴール大学濱習林	2014年9月
オーストラリア	CSIRO Robson's Creek	RIEGL VZ400 SICK LMS511	2014年2月
2014年6月

Robson`s Creekの熱帯林を対象地とした。Robson`s Creekでは2009年～2012年の3年間で25ha内のすべての樹木（23,416本）が毎木調査されており、世界でも希にみる詳細な樹木データの蓄積がある。25haは1ha単位でタイル状に調査区が分かれており、各1ha調査区の中心位置で2014年2月と6月に地上レーザーによる3次元データ取得を行った。Robson`s Creekの25haの広範囲なプロットでは、高精度地上レーザーであるRIEGL VZ400と簡易型地上レーザーであるSICK LMS511の両方のセンサーを現地に持ち込み、データ取得を行った（図2）。

## （４）バイオマス算出方法

従来のバイオマス算出方法は、材積（幹体積）に密度係数や枝葉及び根の拡大係数を掛け合わせることで簡易的にバイオマスを算出できる。材積算出には、予め作成された材積式に、現地で測定した胸高直径や樹高を代入して算出するが、熱帯林は樹高が高い樹木が樹冠を鬱閉しているため、樹高測定が難しい。よって胸高直径だけから材積を算出する式が作成されており、本研究では胸高直径だけで現地バイオマス量を推定する汎用性の高い式を用いて、現地でのバイオマス推定式とした（式1）。

AGB = 21.297 - 6.953 × DBH + 0.740 × DBH2 (Wet model)

AGB = $ \exp(-2.134 + 2.530 \times \ln(DBH)) $ (Moist model)

(式1)

AGB = $ \exp(-1.996 + 2.32 \times \ln(\text{DBH})) $ (Dry model)

## モデル適用条件：

Wet model は年間降水量4,000mm以上で乾期無しの環境条件

Moist modelは年間降水量1,500～4,500mmで乾期無しまたは短い乾期

Dry modelは年間降水量1,500mm未満で数ヶ月の乾期

図1 インドネシア ボゴール植物園で測定した単木で切り出した3次元データ（簡易型地上レーザーであるSICK LMS511を用いてデータ取得を行った。簡易型レーザーでもレーザーが樹頂点に十分に届いていることがわかる。また、板根のような複雑な樹形を3次元データで取得できていることがわかる。図中の色は高さによって色づけをしている。）。
図2 オーストラリア Robson's Creekの毎木位置図とレーザーを設置した場所（試験地全体で25haあり、1ha毎がタイル状に調査区が分かれており、各1ha内の樹木に異なる色を付けて表示してある。さらに、各1haの中心（赤丸点）がレーザーセンサーを設置した場所、背景：RapidEye画像）。

本研究対象地は、沖縄琉球大学演習林で平均年間降水量が約2,100mm、インドネシアボゴール植物園では約3,800mm、オーストラリアRobson's Creekでは約2,300mmであるため、本研究では上記式1のMoist modelをすべての対象地で適用した。

## （５）地上レーザーデータ解析方法

バイオマス算出方法に基づいて、熱帯林での現地調査で取得したデータからバイオマスを算出するには正確な胸高直径の測定が重要になる。そのため、地上レーザーから熱帯林の胸高直径を測定できるようにした。その解析手順は、以下の手順によりデータを抽出、解析を行った。

正確な計測には幹部の様々な角度から得られた3次元データを取得しなければならない。本研究では調査プロットの大きさを半径10mとしたため、半径10m以内の調査プロットで3箇所地上レーザーを設置し、異なる場所で取得した地上レーザーによる3次元データを1つのデータとして合成した。

3次元データから胸高直径の位置を把握するためには、地形図であるDigital Terrain Model（DTM）を地上レーザーから作成した。正確なDTMを作成後、胸高（1.3m）の位置での幹部レーザーデータを自動で切り出すプログラムを作成した。レーザーデータからパノラマ画像を作成し、作成されたパノラマ画像とDTMから胸高直径の位置を自動に認識し、胸高直径の樹木位置で3次元データを各樹木に対して切り出し、レーザーデータによる胸高直径を測定できるようにした（図3）。

図3 パノラマ画像と胸高直径位置での自動樹木判読結果（上図）と自動で作成された毎木位置図とDTM（下図）。
胸高直径で切り出された3次元データに対し、幹の太さを正確に測定するアルゴリズムを開発した。地上レーザーによって3次元データは正確に幹形状を測定できているにも関わらず、解析手法で単純な円を用いると、大きな誤差が生じる。そのため、正確に得られている3次元データ形状を活かしきれない。本研究で開発した手法を従来の手法と比較するために、伐倒して測定したデータとも比較した（図4）。その結果、本研究による手法は伐倒して測定した結果と比較しわずか2.7%の誤差しかないが、従来のレーザー解析手法である「円による推定」では12.1%もの誤差が生じることがわかった。従来の材積算出式による結果は、伐倒したデータと比較して6%の誤差があることから、本研究で開発された手法（誤差2.7%）が、最も正確な手法であることがわかる。

図4 伐倒調査したデータと本研究によって開発した新技術の比較。本研究で開発した手法が最も正確に3次元データが解析できていることがわかる。

## (6) サンプリングデザイン

地上レーザーを現場で導入する際、サンプリングデザインを確立しなければならない。レーザーセンサーを設置する場所を検討し、簡易型地上レーザーだけで正確性が高いデータ取得方法を確立する必要がある。実用的サンプリング方法（調査区設定方法）として、高木を主体とした層化抽出法によるサンプリングデザインを検討した。

### 4. 結果及び考察

本研究の主な目的は、簡易型地上レーザーだけでバイオマスモニタリングを行う技術を確立することであり、そのために必要な装置の開発、熱帯林でのデータ取得実験、サンプリング手法の開発を研究期間中に行った。さらに、実用化に向けた展開として、高価な衛星画像を購入しなくても上空から詳細なデータを入手できる方法として、無人飛行機（UAV）によるデータ取得実験も行った。

## （１）簡易型地上レーザーの性能

本研究で用いた簡易型地上レーザー（SICK LMS511）は、距離に応じてビーム幅が広がる性質がある。簡易地上レーザーのビーム特性による樹木の測定への影響を検討した（図5）。図5では胸高直径37cmの樹木を対象として、地上レーザーから異なる距離で照射した結果である。レーザーのビーム幅が広がることで、取得できる3次元データの形状も変化してしまう。

ビーム幅の影響による樹木測定への誤差を把握した。計 510 本の樹木に対し、様々な距離から照射した 3 次元データの胸高直径と樹高計の測定誤差を得た。ビーム幅の影響で、センサーからの距離 10m 以内に樹高測定では 1m ほどの誤差を生じ、胸高直径は 4cm ほどの誤差が生じることがわかった。
図５ 簡易地上レーザーを用いて距離に応じた樹木測定誤差（対象木の胸高直径は37cm）。

## （２）簡易型地上レーザーと高精度地上レーザーとの比較

本研究で使用した簡易型地上レーザー高精度地上レーザーセンサーである RIEGL VZ400 と性能を比較した。オーストラリアの研究対象地で、簡易地上レーザーと高精度地上レーザーを同時に持ち込み、3 次元データ取得を行った。同じ条件でデータを取得することにより、精度検証を行うことができた（図6）。図6より高精度地上レーザーである RIEGL VZ400 による樹木判読率は 95% であり、SICK LMS511 の樹木判別率は 65% であった。樹木判読率とは、レーザーで樹高も胸高直径も計測できた樹木本数を調査地内にある樹木本数で割った値である。さらにそれぞれのセンサーの現地調査との誤差は、RIEGL では、胸高直径では 1.14cm で、樹高では 2.97m であったの対し、SICK では胸高直径 2.77cm で、樹高は 4.03m であった。人が測定した値と比較しても、どちらのセンサーでも誤差が少なく、実用的に使用できることがわかった。

## （３）サンプリングデザインの結果と考察

センサー特性を考慮し、簡易型地上レーザーは10m以内であれば、レーザーのビーム幅の影響を抑えて樹木測定ができる。そのため、センサーの特性を考慮し、調査プロットを半径10mと設定した。さらに、簡易型地上レーザーと高精度地上レーザーとのセンサー比較から、簡易地上レーザーを設置した1箇所から判読できる樹木判読率が65%であったことから、調査プロット半径10m以内に3箇所地上レーザーを設置し、データを合成する必要があることがわかった。

さらに、高木を覆う樹木を特定するため、高解像度衛星画像から樹頂点を抽出し、同じ場所で測定した地上レーザーによる3次元データと比較することで、樹高20m以上の樹木が樹冠を覆うことを予め把握することができた。これらの解析準備を行い、20m以上の樹高を調査プロットの中心としてサンプリングした場合、対象地全域のバイオマスを正確に推定できるかを検討した。シミュレーションの結果、半径10mのプロットが最低30プロットあれば、その対象地の広域のバイオマス全量を誤差5%以内で推定できることがわかった。

これらの結果から、地上レーザーを用いたバイオマスサンプリング手法として、以下の条件で現地調査を行えば、熱帯林の広域のバイオマスを5％以内の誤差で推定できることがわかった（図7）。

1）バイオマスモニタリングのために調査プロットを設置する場所は、樹冠を構成する高木を中心とする（本研究では樹高20m以上の樹木）。樹冠を構成する高木は目印となりやすいため、その場所に戻って再度測定できる。さらに、上空から取得する衛星や航空機リモートセンシングデータでも測定できるため、他のリモートセンシングデータによる結果と比較がし易い。

2）簡易型地上レーザーの性能も考慮し、さらには現地でのデータ収集の効率化も考慮して、調査プロットの半径を10mとする。簡易型地上レーザーは、樹木を測定する樹木判読率が65%であるため、センサー性能を考慮し、調査プロット半径10m以内に3箇所レーザーセンサーを設置する。

3）調査プロット数を30プロットとしてランダムに調査地内に調査プロットを設置する。レーザーデータを360度回転して、データを取得する時間は1箇所わずか3分でデータ取得できるが、準備と移動を含めて1箇所15分要する。1プロット3箇所地上レーザーを設置すると、1プロット45分の測定時間が必要となる。1日8時間現地でデータ取得できると想定すると、広域の熱帯林のバイオマス推定に30プロット（90箇所の地上レーザー設置）で、合計3日あれば、データ取得が完了する。
## RIEGL VZ 400 (600 m)

- 地形解析範囲 半径 30m

## SICK LMS 511 (40 m)

- 地形解析範囲 半径 15m

図 6 高精度の地上レーザーセンサーである RIEGL VZ400（左側）と簡易型地上レーザーである SICK LMS511（右側）による熱帯林測定精度の検証。

簡易地上レーザーによるデータ取得は即時性が高いため、頻度も高くデータを取得できる。また、経年的変化を把握する上で、胸高直径が3～4cmの誤差で測定できるため、樹木生長を待たずにより短期間でモニタリングできる。

図 7 から高解像度衛星画像を入手しなければ、樹冠を覆う樹高の高さがわからない。高解像度衛星画像は高額なこともあり、本研究で目標としている安価なデータ取得方法の中で唯一の欠点となる。その欠点を補うために、安価で購入できる無人飛行機（UAV）による広域の高解像度データを取得する方法を検討した。

0.5 m解像度のGeoEye-1

20 m 以上の樹高をもつ木をプロットの中心として設定。（衛星画像とレーザーを参照）

簡易レーザーを用いてプロット内に三角形になるように、3箇所センサーを設置してデータを取得、プロット中心から半径10 m 以内の樹木をレーザーにより計測

全体で30プロットあれば、その地域のバイオマス全量に対して誤差が5%以内になる。

図7 バイオマスモニタリングのための現地サンプリング手法の確立。本研究で得られた知見をまとめた図。
## （４）無人飛行機（UAV）による広域データ整備

広域を UAV によってデータ整備する手法として、SfM(Structure from Motion)と呼ばれる新たな手法を使用し、上空からデータ取得を行う方法を比較した（図8）。この方法を森林域で用いることで、上空から広域データを取得し、地上レーザーを設置する場所の空間代表性を検討できる。さらには、その場所で樹冠を覆う樹木の樹高も3次元データから測定できる。

図8 単木単位でのデータ比較（左図：航空機レーザー、中央：地上レーザー、右図：UAVから取得した写真画像だけからSfMにより3次元データ化した結果）。

図8より、UAVにより取得されたデータは樹冠上部の状況を詳細に把握できていることがわかる。航空機レーザーによるレーザー反射は樹冠部で多い。UAVで取得した3次元データの方が航空機レーザーに比べ詳細に把握できていることがわかる。しかし、バイオマス算出の根拠となる幹形状データを確実に取得できないため、地上レーザーによるデータ取得がデータの確実性が高いことがわかった。

## （５）航空機レーザーデータとの融合

既存のデータとして航空機レーザーデータが利用可能な場合は、航空機レーザーデータとのデータ融合が考えられる。本研究では、沖縄でのデータを使用し、航空機レーザーと地上レーザーデータのデータ融合を行った。航空機レーザーの点密度が低く、大部分が樹冠で反射しているが、地上レーザーはより多くの樹木情報が得られることが図9から明らかである。これまで不可能であった異なるレーザーセンサー、異なる時期に取得したデータをデータ融合ができる。

図9 地上レーザーと航空機レーザーのデータ融合（青点：地上レーザーデータ、赤点：航空機レーザーデータ）。本研究で開発したデータ融合技術は位置座標のズレを少なくデータ融合できるため、現場での高精度GPSデータ取得の作業時間を短縮でき，コンピュータ上で位置座標の補正ができる。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

途上国の熱帯林では、正確な現地調査データを取得が難しく、汎用性が高く正確性も高いデータ取得方法の確立が急務の課題である。本研究では地上レーザーを用いて誰でも簡単に毎木調査ができる自動毎木調査法を確立することを目指した世界初の研究である。
地上レーザーは可搬性に優れ、安価にデータ取得ができ、さらに樹幹形状のデータを高密度に取得できる。さらに、非破壊で森林の3次元構造を測定できるため、毎木調査等で行われている現地調査を飛躍的に効率化できると期待されている。

近年では世界的に小型で簡易型地上レーザーの開発が活発になっており、オーストラリアCSIROで開発された地上レーザーがアメリカボストン大学グループで改良され、2波長レーザーとして普及を目指している。また、さらに小型な地上レーザーの開発が、アメリカロチェスター工科大学のグループで進められたおり、簡易型地上レーザー開発の競争が激しくなってきている。また、イギリスロンドン大学のグループは本研究で使用したRIEGL VZ400の3次元データからオーストラリアユーカリ林でのバイオマス量を自動で算出するプログラム開発が進められており、3次元データを解析する手法も研究が進んでいる。よって、簡易型地上レーザーを用いた森林バイオマス測定は世界で注目を集める分野である。その中でも本研究で用いたSICK LMS511の小型センサーはデータ取得効率が良く、わずか3分でデータ取得できる速さは世界的にも最も早くデータを取得できる。

本研究の成果により、形状が複雑なため材積式の作成が困難であった熱帯林に対して地上レーザーによって、汎用性の高い自動毎木調査法が提供できるようになった。さらに、サンプリング手法も検討できたことにより、簡易型地上レーザーを設置する汎用性の高い手法を確立することができた。安価な簡易型地上レーザーだけで、広域の熱帯林バイオマスを推定することが可能となり、環境政策における標準的モニタリング手法として地上レーザーによるモニタリング手法を提案できる。本研究により得られた成果は、実利用でも研究面でも大変有意義である。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

本研究代表者は、東京都と長崎県と共同研究を行っており、地方自治体レベルでは地上レーザーによる詳細な樹木データ整備が積極的に進められている。

東京都では、新たな緑の指標調査に地上レーザーによって「緑の質」を評価する取り組みを行っている。これまでの緑被率が2次元データでしかデータ取得を行って来なかったため、森林遷移に伴う緑地の垂直構造の変化などを把握することは困難であった。そこで階層構造も3次元データから取得できる地上レーザーを導入することで、緑の平面的な量ばかりでなく、垂直的な分布を把握する手法を確立しようとしている。平成25年度に実験的に研究を始め、27年度から2年間、東京都と共同で調査研究を継続する予定があり、地上レーザーによる実験を行う。調査研究によって得られた知見は、環境政策に反映する予定である。

長崎県では、離島である対馬で全島を航空機レーザーによる3次元データを取得し、バイオマス資源量を把握するプロジェクトが行われている。そこで、航空機レーザーによる結果を検証するために、地上レーザーを導入し、航空機レーザーデータの検証用データとして正確な現地データ取得として地上レーザーの活用した共同研究を平成26年度に行った。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

環境省が、来年度から本格的に REDD+のプロジェクトを展開するようになる。対象とする地域は、東南アジア諸国であり、主に途上国熱帯林がプロジェクト対象地となる。その正確なモニタリング手法を検討している段階にある。本研究で確立した手法は、環境省が今後推し進める REDD+の環境政策を運営する上で、非常に有効なモニタリング手法になり得る。地上レーザーを用いれば、正確性の高いモニタリングを誰でも行えるため、容易で正確なモニタリング手法として現場で普及することができる。環境省自然環境局自然環境計画課において、Forest Partnership のウェブサイトを立ち上げ、企業等連携して REDD+参加のためのプラットフォームができつつある。

効率良く正確に測定できる地上レーザーが、途上国での森林調査に有効活用できることは明らかで、航空機レーザーよりも費用がかからない。さらに、いつでもどこでもデータが取得できるため、高頻度なデータの取得ができる。その結果、経年変化を把握することも容易である。本研究で開発した簡易型地上レーザーを用いることで、正確で安価にデータが取得できるため、途上国での森林モニタリング手法に改善できる最適な手法である。

本研究は、日本国内の森林管理にも応用もできる。国内林業は作業員の高齢化が進行しているため、毎木調査に簡易型地上レーザーを導入できれば、調査作業を簡略化し、より正確にデータが収集できる。REDD+のためばかりでなく、他分野でも利用価値が非常に高い技術である。
### 6. 研究成果の主な発表状況

## （１）主な誌上発表

## <査読付き論文>

1）加藤 顕、戸倉千明、小林達明、野田佳慶、有村恒夫、福田聖一：日本緑化工学会誌，39（1），194-197(2013).

「高速道路法面におけるレーザーを用いた葉面積指数の推定」

2）加藤 顕、安藤祐樹、吉田俊也、梶原康司、本多嘉明、小林達明：日本綠化工学会誌，40（1），136-141（2014）.

「簡易型地上レーザーを用いた毎木調査法」

3）加藤 顕、石井弘明、榎木 勉、大澤 晃、小林達明、梅木 清、佐々木 剛、松英 恵：日本森林学会誌，96（3），168-181（2014）.

「レーザーリモートセンシングの森林生態学への応用」

4）小花和宏之，早川裕式，加藤顕，ゴメスクリストファー：

地形，36（2），87-106（2015）

「小型無人航空機および単独測位 GNSS 搭載カメラを用いた簡易的な地形測量手法」

## （２）主な口頭発表（学会等）

1) A. Kato, J. Morgenroth, D. Kelbe, C. Gomez, J. van Aardt, IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Melbourne, Australia, 2013

“Ground Truth Measurement of Trees using Terrestrial Laser for Satellite Remote Sensing”

2) A. Kato, M. Watanabe, J. Morgenroth, C. Gomez, Synthetic Aperture Radar (APSAR), 2013 Asia-Pacific Conference, September 2013, Tsukuba, Japan, 2013

"Field tree measurement using terrestrial laser for radar remote sensing"

3）加藤　顕、大萱直花、笹川裕史、小林達明：第125回日本森林学会（2014）「森林計測における様々な地上レーザーセンサーの精度比較」

4）加藤　顕、梶原康司、本多嘉明：日本写真測量学会平成26年度年次講演会（2014）「簡易型地上レーザーを用いた熱帯林計測」

5）加藤 顕、梶原康司、本多嘉明、小林達明：第24回日本熱帯生態学会年次大会（2014）「地上レーザーを用いた複雑な熱帯樹木形状把握」

6) A. Kato, K. Kajiwara, Y. Honda, M. Watanabe, T. Enoki, Y. Yamaguchi, T. Kobayashi, IEEE IGARSS 2014: 816–819, Quebec City, Canada, July 2014

“Efficient Field Data Collection of Tropical Forest using Terrestrial Laser Scanner”

“Efficient Field Data Collection of Tropical Forest using Terrestrial Laser Scanner”

7) A. Kato, L. M. Moskal, T. Kobayashi: IUFRO 2014 World Congress, Salt Lake City, USA, Oct. 2014,

“Full automatic process to create forest inventory using terrestrial lidar”

8) A. Kato: Precision Forestry Cooperative, University of Washington, Annual Meeting 2014, Seattle, USA, Oct. 2014

“Unmanned aerial vehicle and terrestrial laser system based biomass assessment” [招待講演]

9) A. Kato, M. Brandford, K. Kajiwara, Y. Honda, M. 2014 ForestSAT conference, Riva del Garda, Italy, 2014

“Efficient field validation of tropical rainforest biomass using terrestrial laser for satellite remote sensing”

10) A. Kato, H. Hayakawa, H. Obanawa, C. Gomez, 2014 ForestSAT conference, Riva del Garda, Italy, 2014

“Tree structure captured by UAV-SFM and TLS for field validation of satellite remote sensing”

11）加藤顕、小花和宏之、早川裕式：第126回日本森林学会学術講演会（2014）「UAV-SfMと地上レーザーを用いた森林構造の把握」

### 7. 研究者略壓

課題代表者：加藤顕

ワシントン大学 森林資源学部 卒業、学術博士、現在、千葉大学 園芸学研究科 助教
2RF-1301 バイオマスモニタリングのための現地サンプリング手法の開発

（１）バイオマスモニタリングのための現地サンプリング手法の開発

千葉大学

園芸学研究科 緑地環境学コース 緑地科学領域 加藤 顕

平成25～26年度累計予算額：24,096千円（うち平成26年度予算額：12,682千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

開発途上国における森林破壊や森林劣化を回避することで、温室効果ガス、特に二酸化炭素の排出を削減しようとする試みである REDD+のプロジェクトが本格的に開始され、現地モニタリング手法に問題が生じている。特に、途上国では独自の現地調査法により炭素蓄積量を算出しているため、データの正確性に問題があり、国家間で炭素蓄積量を容易に比較できない。本研究は、正確性の高い現地調査法を開発するために、地上レーザーに注目した。地上レーザーによって取得できる3次元データから自動で毎木調査を行い、現地で正確にバイオマスをモニタリングする手法を確立することを目的とした。高精度な地上レーザーであるRIEGL VZ400と安価な簡易型地上レーザーSICK LMS511を用いて熱帯林でデータ取得を行い、簡易型地上レーザーの特徴を把握した。開発した簡易型地上レーザーは途上国でも購入可能な価格であり、独立電源である乾電池で動くシステムを作成できた。そのため、途上国のどの森林でも容易にセンサーを持ち込むことができる。簡易型地上レーザーを用いて広域のバイオマスを誤差少なく推定するため、レーザーの最適な設置場所と設置数を検討した。簡易型地上レーザーを用いた調査方法として、データ取得する調査場所は目印となる高木を中心とし、地上レーザーの性能を考慮して調査プロットの大きさは半径10mとする。簡易型地上レーザーは、設置場所から判読できる樹木が65%であったため、調査プロット半径10m以内にレーザーを3箇所設置する。合計30箇所の調査プロットを設置することで、誤差5%以内で広域の熱帯林のバイオマス推定ができた。データを取得するためにかかる作業時間は1箇所わずか15分であるため、合計3日あれば広域推定に必要な正確性の高いバイオマスデータを収集できる。本研究によって得られた知見から、熱帯林の広域バイオマス推定に簡易型地上レーザーによる3次元データが十分活用できることがわかった。そのため、REDD+のために、簡易型地上レーザーによるモニタリングが可能であることが実証された。

[キーワード]

REDD+、レーザー、バイオマス、モニタリング、リモートセンシング

### 1. はじめに

国際環境政策であるREDD+（開発途上国における森林の破壊や劣化を回避することで温室効果ガスの排出を削減するプロジェクト）では、広域の炭素蓄積量を把握する際、過去に撮影された
衛星画像を使用し、森林をモニタリングしている。過去に撮影された衛星画像を用いて各年での土地利用図を作成する。作成された複数年での土地利用図の経年変化から、森林から他の土地利用に移行した場所を「森林劣化や減少」、新規植林となった場所を「森林回復」と定義する。過去のデータから森林の経年変化の傾向を把握し、その傾向から将来予測を行い、ベースラインを決める。プロジェクト対象地で期間中に森林減少や劣化を防止する活動を行い、予想されたベースラインから森林減少や劣化が防止できれば、防止効果に応じてクレジットが与えられる。クレジットは炭素市場で取引可能であるため、森林伐採という従来の経済活動に対抗する経済的インセンティブを与えることで、REDD+を通して熱帯林を保全しようとする取り組みである。

森林をモニタリングする技術として、広域でのデータ取得が前提であるため、衛星リモートセンシング技術が利用され、光学やレーダーによる衛星画像から土地利用変化を抽出する手法が確立している。しかし、その結果を検証するための正確性の高い現地データを入手することが難しい。クレジットが市場で取引されるため、衛星データからの解析結果を検証する正確性の高い現地データは必要である。途上国では森林測定に必要な現地調査機材がないことも多い。そういった地域ではマニュアルで樹木を計測しているため、得られたデータの質を保証できない。得られたデータを他の途上国のデータと比較し、国際交渉の場で議論するカーボンクレジット量として用いることは難しい。REDD+対象国である途上国では、森林をモニタリングするために国が定める長期モニタリングプロットで、各国が定める森林調査方法に従って現地調査を行う。しかし、途上国では現地調査員の知識や調査経験が未熟なこともあり、正確性が保証されたデータとして取り扱えない問題が生じている。さらに調査場所のサンプリング間隔が広く、REDD+のプロジェクトに必要な場所で現地データがあるとは限らない。データが利用できたとしても古いことも多々ある。特に、REDD+で対象とする森林の規模が小さい場合は、新たに調査する必要も出てくる。よって、現地バイオマスモニタリング手法の開発は環境政策にとって急務の課題である。

調査手法ばかりでなく、炭素蓄積量の算出方法に関して、土地被覆図や土地利用図から「森林」と分類されている場所に、森林区分毎に「平均材積」を掛け合わせて、森林域全体の炭素蓄積量を算出している。しかし、平均材積値を地域レベルに一律に適用することは、同じ地域であっても気候、地形、地位、樹種の違いがあるため正確とは言えない。そのため、REDD+プロジェクトに参入する民間企業や各国政府は新たに材積量を調査しなくてはならない状況も出てくる。実用的で簡易な調査手法は、プロジェクトを推進するために必要であるが、正確で簡易な調査手法が、REDD+には望まれている。

本研究では、熱帯林に地上レーザーを導入し、正確な現地調査手法を確立することを目的としている。熱帯におけるバイオマスモニタリング手法として、地上レーザーに注目した理由は、従来の手法に比べて、汎用性、コスト、解析時間、正確性、解像度、すべての項目で地上レーザーによるデータ取得が優位である（表1）。表1から、地上レーザーと比較する手法として、同様に3次元データが取得できる航空機レーザーと比較した。

解析手法の「汎用性」に関して、航空機レーザーデータは点密度が一様ではないため、プロジェクト対象地で取得したデータの点密度（データの質）が場所によって異なる。異なる点密度で取得されたデータを比較する際、異なる解析手法を用いなければならず、解析結果を比較することが難しい。さらに、航空機レーザーは、地上レーザーに比べて樹冠上部からの反射が多いため、材積の算出に必要な樹木幹部を直接計測することが難しい（図1）。そのため、樹冠の形状から幹