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課題名 RF-1006 航空レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備に伴うバイオマス量変化の把握

課題代表者名 加藤 顕 （千葉大学 大学院園芸学研究科 緑地環境学コース 緑地科学領域 再生生態学研究室 助教）

研究实施期间 平成22～23年度

累計予算額 12,951 千円（うち 23 年度 6,309 千円）

予算額は、間接経費を含む。

## 研究体制

(1) 航空レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備に伴うバイオマス量変化の把握（千葉大学）

## 研究概要

### 1. はじめに（研究背景等）

リモートセンシングによるバイオマス量変化の把握は、国内外の環境政策で重要な課題となってきている。国内では排出量取引導入に向けての準備段階としてオフセット・クレジット（J-VER）があり、J-VERは第三者機関として化石燃料使用削減を行っているプロジェクトを認証し、排出量の多い事業体との間でカーボンオフセットを認めている。国際的取り組みとしては、REDD（Reduced Emissions from Deforestation and Forest Degradation，森林減少・劣化からの温室効果ガス排出削減）があり、途上国での熱帯林保全でカーボンオフセットできる仕組みがある。REDDでは違法伐採を止めることで熱帯林に蓄積されている炭素量を保つことを目指している。

J-VERは国内林地を対象とするため、小規模林地を対象とした詳細な森林モニタリング手法の確立が望まれており、地域での森林簿・森林計画図の作成が求められている。その一方でREDDに関しては、国・県レベルの広域を対象とするため、広域での土地利用図作成が求められている。森林の現存するバイオマス量を把握する以上に、間伐等の整備による炭素蓄積量をより正確に定量化し、炭素吸収量を「見える化」する必要が出てくる。これらモニタリングには、目的のスケールに応じた様々なセンサーを適応していかなければならない。J-VERに対しては詳細な森林整備状況がモニタリングできるレーザーリモートセンシング技術、REDDに対しては県・国レベルで広域モニタリングできる衛星レーダーリモートセンシング技術が最も適している。

近年衛星レーダーによるモニタリングがより安価で利用可能となり、天候の影響なく土地利用状況を経年的にモニタリングできるようになった。また地域レベルでは、航空機レーザーによる3次元データが取得可能となり、森林構造を3次元で解析可能となった。

本研究タイトルに「航空レーザー測量」という名称を使用したが、本報告書内では表記を統一させるために、「航空機レーザー測量」のことを「航空機レーザー」と表記を統一させ、地上レーザーとの取得方法の違いを明確にする。

本研究の目的は最新の航空機レーザー（airborne LiDAR, Light Detection and Ranging）測量及び衛星レーダー（PALSAR、合成開ロレーダー）を用いて森林整備によるバイオマス変化量を把握することである。航空機レーザーデータは地域レベルの森林整備状況を詳細に把握できる。その詳細な結果を広域モニタリングができる衛星レーダーからの解析結果に適応することで、衛星レーダーによる森林整備状況の把握を行う上での問題点を明らかにする。そのために、詳細にデータ取得ができる航空機レーザーデータを取得し、取得した同じ場所で衛星レーダーでのデータを解析する。それらの結果を比較することで、衛星レーダーデータを解析する際の問題点を考察する。また、航空機レーザーデータの限界を補うため、航空機レーザーと同じセンサーで、地上設置型のもの（地上レーザー、terrestrial LiDAR）を用いることで、航空機レーザーでは把握できないより詳細なバイオマス量を地上レーザーデータから把握する。

## 2 ．研究開発目的

本研究はボトムアップアプローチ（図1）により、様々なスケールで異なるセンサーを用いてモニタリング技術の検討を行った。ボトムアップアプローチとは、現地調査で測定したデータを航空機レーザーデータからの結果と比較して地域レベルのバイオマス量へ外挿するモデルを構築する。その結果を衛星レーダーデータからの結果と比較する。また、航空機レーダーでは森林構造を把握する上で限界があり、その限界を補うために地上レーザーデータを導入・取得し、現地検証用データ（グランドト
ウルース）として地上レーザーを利用する有効性を検討した。本研究では衛星レーダーを森林整備地域のモニタリングを行う上で、問題点を明らかにするために2つの視点で研究を行う。

## （１）衛星レーダーによる森林整備地域の把握

航空機レーザーと衛星レーダー（PALSAR）を用いて、森林整備に伴うバイオマス変化量を把握する。森林整備に伴うバイオマス量変化を把握するために、研究対象地で本研究のために間伐を行い、間伐前後での航空機レーザーデータから詳細な変化を把握し、同じ対象地で衛星レーダーからの解析結果と比較する。研究対象地は国内であるが、衛星レーダーは世界中で取得可能であるため、得られた知見は今後の衛星レーダーを用いたバイオマス量推定の解析等に役立てたい。また、近年航空機レーザーを衛星レーダーのグランドトゥルースとして取得する際の問題点も明らかにする。

## （２）森林整備地域と落葉の関係

航空機レーザーデータより針葉樹林域を対象にデータ解析を行い、その後、落葉広葉樹林域でのデータ取得を行う。経年的モニタリングを行う上で森林整備による変化と落葉による影響の違いを把握しなければならない。落葉による影響を衛星レーダーから把握できるか検討する。

## （３）ボトムアップアプローチとして、レーザーデータを利用したグランドトゥルース

レーザーデータの取得方法としては、これまで主に航空機レーザーと地上レーザーとがある。用いるセンサーの種類は同じであるが、データ取得方法に違いがある。レーザーデータは容易に、そして正確に3次元データ取得ができるため、近年衛星レーダーデータのグランドトゥルースとしてデータ取得されるようになってきている。しかし、3次元で取得できるレーザーデータをグランドトゥルースとして用いる際、データ取得方法（航空機からの照射か地上設置による照射）で解析方法も結果も異なるため、本研究では航空機レーザーばかりでなく、地上レーザーも用いてレーザーデータのグランドトゥルースとしての利用を検討した。

## 国・県レベル:

L band radar は 100 トン/ha まで把握できる。

⇒ 解像度 5 m² に樹高 20m のスギ 1 本まで測定可能。間伐や枝打ち等の森林整備がそこまでの立木本数になれば、変化量を抽出することが可能

市町村レベル:

航空機レーザーの利用

図1 ポトムアップアプローチ

### 3. 研究開発の方法

## （１）航空レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備によるバイオマス量変化の把握

## １）データと解析手法

本研究対象地は針葉樹主体の千葉県山武市と落葉広葉樹主体の東京都西部にある東京都公園野山北・六道山公園である。研究対象地として選定した理由は、千葉県山武市では市所有林で山武市との協力の下、間伐等を行うことができ、取得するリモートセンシングデータへの間伐による影響を研究できる研究環境がある。また、野山北・六道山公園は、典型的里山林であり、山武市とは異なり広域に落葉広葉樹林が成立している。森林区域ははっきりと分かれており、斜面にはコナラ・クヌギ等を主体とした落葉広葉樹があり、尾根沿いはアカマツ等を主体とする針葉樹がある。主な樹種が落葉広葉樹であるため、広域に落葉の影響を衛星レーダーデータ上で比較・検討しやすい地域である。

## a 現地調査
針葉樹林では平成22年8月～9月に、落葉広葉樹林では平成23年8月～9月に現地調査を行い、樹木状況のデータを取得した。調査方法としては調査区として20m x 20mのプロットを設置し、樹種・樹高・胸高直径・樹冠長・枝下高・樹木位置を、プロット内の2m以上の樹木すべての毎木調査を行った。プロット設置の選定は、対象地で様々な森林状況を把握できるように、計30プロットを対象地全域でランダムに設定した。毎木調査では、樹高、枝下高は測高計（Haglof Vertex Ⅲ）によって計測、樹木位置は、トータルステーション（Ushikata Teo-Ray130）によって測量し、高精度GPS（Trimble GeoXT）によって取得したGPSの位置を基準に、樹木位置に座標付け（ジオリフェレンス）を行った。針葉樹林対象地では、スギ（Cryptomeria japonica）とヒノキ（Chamaecyparis obtusa）が優占しており、広葉樹林対象地では、コナラ（Quercus serrata）が優占している。毎木調査で得られた樹高と胸高直径を用いて、バイオマス量の基準となるプロットレベルでの幹材積を算出した。

また、航空機レーザーの平成21年8月1回目のレーザー計測後、平成22年7月2回目のレーザー計測までの間に、切り捨て間伐による森林整備を針葉樹対象地（千葉県山武市）で行った。

## b 航空機レーザー

針葉樹対象地域で森林整備前の状況を把握するために、森林整備前後の変化を航空機レーザーで把握するため異なる2時期のデータを取得した。平成21年8月14日にすでに1回目の航空機レーザーデータを20点/m²もの高密度で取得し、2回目のデータを平成22年7月18日に取得した。広葉樹対象地域では、平成23年11月5日に航空機レーザーデータを平均15点/m²もの高密度で取得した。

## i) DTM, DSM, DCM 作成

針葉樹林を対象とした航空機レーザーは、地上からのレーザー反射のみをフィルター処理にて予め選別を行った。分類された地上からのレーザー反射点のみ用い、解像度50cmのDTM(Digital Terrain Model)の作成を行った。しかし広葉樹林を対象とした航空機レーザーデーターでは、林床まで到達する点密度が低かったため、正確なDTMを作成ができなかった。マルチグリッドによる空間フィルターを用いることで、レーザーの点を再分類し、地上からのレーザー反射のみを再選別し直した。その結果ノイズの低減したスムーズなDTM表面を作成することができた。また、50cmのメッシュを作成し、各50cm×50cmグリッド内における点の最大値を樹冠の頂点とし、DSM(Digital Surface Model)を作成した。DSMとDTMの差分からDCM(Digital Canopy Model)を求めた。DCMは樹冠高を表す。

## ii）DCMから樹木位置と樹高計測

作成されたDCMから凹凸を自動判別するアルゴリズムを以下の式を用いて作成した。

$$ {f_{xy}}^{2}-f_{xx}f_{yy}<0;f_{xx},f_{yy}<0 $$

テイラー展開を応用して凸部を判別できるようにしたものである。DCMの表面で凸部を自動で抽出して樹木位置とし、その場所のDCM値を樹高とした。

航空機レーザーデータから解析した樹木位置と樹高を現地調査で設定した20mx20mプロットの位置で抽出し、各調査地での立木本数と平均樹高を算出した。その平均樹高と立木本数を航空機レーザーからの結果と現地調査からの結果で比較し精度を検証した。

iii）現地調査データを基に幹材積モデル作成

森林域のバイオマス量とは、幹材積と言い換えることができる。バイオマス量は、国内の環境政策であるJ-VERのスキームを基に以下の式から求めることができる。

$$ \left( バイオマス量 \right)=\left( 幹材積 \right)\times\left( 樹種別密度係数 \right)\times\left( 枝葉拡大係数 \right)\times\left( 根拡大係数 \right) $$

幹材積以外はすべて定数であるため、測定データを取得し、変数として扱えるのは幹材積だけである。各プロットでは、現地調査で樹種、樹高、胸高直径を測定しているため、それらの情報から千葉県地域の幹材積式に当てはめ、樹木単位の幹材積をプロット別に合算した。プロットでの幹材積を目的変数とし、各プロットの立木本数、平均樹高を説明変数として幹材積を算出するモデル式を作成した。

$$ \mathsf{S V}=\mathsf{a}\mathsf{x}\mathsf{H}+\mathsf{b}\mathsf{x}\mathsf{N}+\mathsf{c} $$

SVは幹材積、Hは平均樹高、Nは立木本数、a, b, cは係数。

上記式により、樹高と立木本数（立木密度）がわかれば、幹材積（バイオマス量）を推定することが可能となった。よって、HやNの変数に航空機レーザーで判別可能な樹高や立木本数を入力すること
図2 間伐域における間伐割合（左図：2時期からの差分DCM、白色は間伐があった場所、右図：グリッドで表示した間伐割合、緑-黄-赤色の順で間伐割合が高くなっている。）

で、バイオマス量を広域でマッピングすることが可能である。

## iv）間伐割合の算出

2時期のDCMデータの差分から、バイオマス変化した森林域を航空機レーザーから把握できたが、その変化量を定量化するために、間伐割合を算出した（図2）。対象地全域でPALSARのFBD（Fine Beam Double Polarization）モードの15m解像度とPLR（Polarimetry mode）モードの25m解像度に合わせた2種類の解像度のグリッドを派生させた。間伐割合の違いをPALSARデータと合わせるために、グリッドの大きさを衛星データの解像度に合わせた。その一方で間伐前後取得された航空機レーザーから作成されたDCMの差分が大きいところを「間伐の場所」として把握し、派生した各グリッド内で、間伐前後で高さの変化が大きかった場所とその面積を算出した。変化のあった場所の面積をグリッド1つの面積で割ったものを間伐割合とした。

## c PALSARデータ

2007年～2011年の間、対象地で取得可能な衛星レーダー（PALSAR）データを取得した。本研究では、航空機レーザーと衛星PALSARとの関係を扱うため、2箇所の対象域で航空機レーザーデータも取得したところと同じ場所である針葉樹林対象地である千葉県山武市地域と広葉樹林対象地である野山北・六道山公園を中心に衛星レーダーデータも取得した。衛星レーダーは2種類のデータがあり、FBDの約15m解像度のHH，HVの2偏波データと、PLRのすべての偏波（HH，HV，VH，VV，4偏波）による約25m解像度のフルポラリメトリデータである。FBDのデータ取得範囲は、PLRのデータ取得範囲より広い。

PALSAR画像の幾何・地形補正をMapReady(Alaska Satellite Facility, ver 2.3, 2010)によって行った。地形補正の際に用いた広域の地形図（DEM, Digital Elevation Model）は、国土地理院基盤地図情報数値標高モデルより10mメッシュデータを用いた。

幾何・地形補正後のPALSARデータの後方散乱係数（$\sigma_{0}$，dB）も算出し、後方散乱の反射特性を航空機レーザーデータから得られた詳細な結果と比較した。また、間伐割合と衛星レーダーによる間伐前後での後方散乱係数の変化を把握し、比較を行った。

## d 地上レーザー

航空機レーザーは上空からのレーザー照射であるため、面的にデータ取得できる一方で、樹冠上部からのレーザー反射が多く、幹部や林内まで計測することができない。高密度でデータを取得しても航空機レーザーでは樹木形状すべて把握するには限界がある。これまでの研究ではモデル式を構築して、航空機レーザーで直接計測できない樹木パラメータを推定しなければならなかった。そこで本研究では航空機レーザーと同じ特徴を持つ地上設置型レーザーセンサーを用いて樹木を直接計測し、モデル式に頼らない直接計測手法の確立を行った。地上レーザーを用いることで、より詳細な樹木状況を把握することが可能となり、樹木形状を自動で正確に直接計測できるようにした。

取得した地上レーザーデータ全体の点群から単木単位で点群を抽出した。その単木単位の点群から樹木幹部を自動判別し、幹体積（材積）を自動で算出した。幹体積は、50 cm間隔で高さ別に幹部レーザーデータを輪切りにし、輪切りにしたデータから幹直径を自動で判読し、その高さでの面積を算出した。その面積を高さ間隔（0.5cm）で合算して単木単位での幹体積とした。本研究期間中、開発した手法を特許出願することができた（特願2011-227165 三次元測定対象物の形態調査方法）。
現地調査からの立木本数（本）

現地調査での樹高計測（m）

図3 針葉樹林での解析結果（航空機レーザー⇔現地調査、左図：立木密度、右図：樹高）

図4 落葉広葉樹林での解析結果（航空機レーザー⇔現地調査、左図：立木密度，右図：樹高）

### 4. 結果及び考察

## （１）航空レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備によるバイオマス量変化の把握

ボトムアップで本研究の結果と考察を示す。1) 現地調査のデータと航空機レーザーから解析した結果を比較し、航空機レーザーの精度の検証を行い、2) 航空機レーザーデータからの結果と衛星レーダー（PALSARデータ）からの結果と比較し、レーダーデータを解析する上での問題点を明らかにし、さらに3) 航空機レーザーでは不足なデータを補うために地上レーザーを用い、その解析結果を現地調査のデータとも比較した。

## 1 ）現地調査との比較（現地調査⇔航空機レーザー）

航空機レーザーデータからの解析結果と現地調査で取得したデータとを比較し、航空機レーザーデータの解析結果を検証した。針葉樹林対象地である千葉県山武市の結果（図3）と落葉広葉樹対象地である野山北・六道山公園（図4）での結果を検証した。図3より、針葉樹では樹高計測が1対1対応線に近く相関係数も高いため、樹高は航空機レーザーで正確に計測可能であることがわかる。立木密度は航空機レーザーの結果では過小評価されるが、高い相関関係があった。その理由は、樹木が密になるとDCM上でアルゴリズムが自動判読可能な凸部ピークが判別しにくくなるためである。その一方で図4から、落葉広葉樹では針葉樹と比較して樹高計測が過大評価してしまい、立木密度では相関係数が低くなることがわかった。相関関係が低くなった理由として、7～8月に行った現地調査と11月に取得した航空機レーザーデータとのデータ取得時期が違うため季節による樹高の違い（落葉の影響等）があったことと、広葉樹は幹が曲がるため、樹木根元と樹高計測箇所（梢端）である樹冠頂点とで場所が異なったためである。レーザーによる樹高計測は、DCMのピーク（樹冠頂点）を判読するため、その樹冠頂点から垂直下にある地面の標高値を参照し樹高と定義している。よって本来の標高値である幹元とは参照する場所が異なってしまう。本研究対象地のコナラ林は、斜面に対して斜面下方に垂れる様に幹が伸びているため、樹高評価が全体的に過大評価となってしまったと考えられる。針葉樹では幹が真直である個体が多く、樹冠最高点と幹元部の位置がほぼ一緒となるため、この様な樹高誤差を生じなかった。

## 2 ）航空機レーザーデータを用いたバイオマス量算出(現地調査⇔航空機レーザー)

樹高と樹木密度を説明変数とする線形モデルを確立することができた。針葉樹林の対象地である千
図5 対象地全域での材積(Stem Volume)評価(左図：針葉樹対象地である山武市、右図：広葉樹対象地である野山北・六道山公園)

葉県山武市と広葉樹林の対象地である野山北・六道山公園での対象地全域における材積量の地図を航空機レーザーデーターから作成することができた（図5）。これらの結果より現地で胸高直径を計測することなく、航空機レーザーデーターのみから得られた樹高と樹木密度で全域での材積量を推定することが可能となった。

3）航空機レーザーデータとPALSARデータとの比較（航空機レーザー⇔PALSARデータ）

航空機レーザーによって詳細な地域全体の材積量（バイオマス量）を得ることが可能となったため、得られた結果をPALSAR HV偏波の後方散乱係数（ $ \sigma_{0} $ ）と比較した。

PALSAR HV偏波の後方散乱係数（$\sigma_{0}$）と材積量とには関係性があり、PALSARのセンサーであるLバンドでは、100 ton/haまでバイオマス量判読が可能であることがこれまでの研究でわかっているが、対象地全域の材積量とPALSARの後方散乱係数には明確な関係性が見られなかった。

15mと25mの異なる解像度の結果を比較すると、解像度15mでは、点の散らばりが材積量の大きさに伴って傾向示すことがわかった。よって、解像度が上がれば、より詳細な材積量変化を把握できることがわかった。

これら材積量とHV偏波の関係性が明瞭ではない理由としては、後方散乱係数は樹冠反射との関係に原因がある。樹冠構造は材積（幹体積）とはっきりとした関係性がないためである。そのことを明らかにするため、ラッピングを用いて航空機レーザーデーターからプロットごとに樹冠体積を算出し、その結果と幹体積を比較したところ、関係性があまり見られなかった。

衛星レーダーのデータ取得角度が斜めのアングルであり、航空機レーザーからの解析結果は垂直方向（オルソ方向）であるため、2つのデータを比較する際、取得角の違いが解析結果に大きく影響していた。斜角で取得された衛星レーダーデータの対象とするエリアは、レーザーの解析結果で対応するセル1つ分を超えた隣接するセルにある森林状況もデータに含んでしまう。よって視点の違いがデータ間の誤差を生じると思われる。レーダーの照射方向を考慮したレーザーの解析が必要であることがわかった。航空機レーザーが取得した森林整備前後のデータ、2009年（間伐前）と2010年（間伐後）各年からDCMを作成し、その差分を求め、間伐率を算出した。また、同じ時期の衛星レーダーから森林整備前後の2時期のHV偏波の差分（（間伐前のHV偏波）－（間伐後のHV偏波））を得て、航空機レーザーから得られた詳細な間伐率と衛星レーダーの解析結果を比較した。バイオマスが減少すると、HV偏波の後方散乱係数は上昇する。結果より間伐割合が大きくなるに従って後方散乱係数が上昇していた（図6）。図6から6割以上の間伐が行われた場合は、PALSARによってバイオマス変化量を把握できることがわかる。

しかし、図6より間伐率が100%でもHV偏波に違いがあまり見られないところがあり、または値が減少する（バイオマスが増加）するところもある。この理由としては、レーダーの斜方向でのデータ取得
図6 間伐域での後方散乱係数の変化 (X軸: 間伐割合, Y軸: 間伐前後のデータで後方散乱係数の差分量, 後方散乱係数の間伐による変動量)

が原因と思われる。強間伐の地域が林縁であれば、その林縁からのレーダー反射もデータに含まれる。図6より間伐域では最大10dBもの違いが生じることがわかる。

4) 落葉による後方散乱係数の季節的変動 (航空機レーザー⇔PALSARデータ)

森林整備等の人的影響を把握するためには、落葉等の季節的变化による後方散乱係数の変動も比較し、その違いを明らかにしなければならない。多時期で取得したPALSARデータを用いてその変動を解析した。森林整備が行われていないコナラ林域のみを航空機レーザーデータから把握し、その場所でのPALSARデータを抽出し、経年的に変化を比較したところ、落葉の影響でも値が大きく変動することがわかった。しかしこの変動は、25mから15mへと解像度が上がれば少なくなることがわかる（図7）。

この変動量が間伐等による変動量（最大で10 dBの変化量）以上にもなっているため、季節的变化と森林整備等の人的攪乱の違いを把握するには、より解像度の高いデータを多時期で用い、レーダーの照射アングルを考慮したデータ解析を行う必要があると考えられる。

5）地上レーザーを用いたバイオマス量把握(現地調査⇔地上レーザー)

本研究では伐倒試験を行い、伐倒による実測結果と、地上レーザーから自動で算出された幹体積（材積）との比較を行った。従来の材積式を用いた材積算出方法では、伐倒試験による実測値と6.8%の相対誤差があったが、本研究で開発された手法を用いると、1.34%の相対誤差で材積算出（材積実測）が可能であることがわかった。誤差が従来の手法と比べ、地上レーザーを用いることで大幅に改善できた。よって同じレーザーでも航空機レーザーではなく地上レーザーを用いた実測がグランドトゥルースとして有効な手法であることがわかった。また、下草のない1haのスギ林プロットで、地上レーザーセンサーは50m間隔で設置し、広域のデータを地上レーザーにより取得した。地上レーザーデータから樹木位置と胸高直径と樹高を自動で計測した結果と、ランダムに選別した樹木に対して現地で計測した胸高直径と樹高との結果を比較した。この結果、1haという広域なスギ林プロットに対しても正確に胸高直径と樹高が計測できた。

6）航空機レーザーと地上レーザーとの違い（地上レーザー⇔航空機レーザー）

地上レーザーと現地調査データの違いを明らかにすることができたが、航空機でデータ取得した同じ場所で地上レーザーデータも取得し、判別できる樹木本数の違いを明らかにした。その結果として、航空機レーザーは現地調査での樹木本数と比較して、過大評価してしまうこともあるが、地上レーザーはすべての樹木を把握できた。この結果より、航空機レーザーは、樹冠形状から樹木位置を把握しているため、同じ幹から途中二股になっている様な木があると樹冠の凸部が1つの幹から2つ出来てしまい、判別された樹木本数が過大評価してしまう。その一方で、地上レーザーは幹を直接計測できるため、センサーの設置場所を注意すれば、すべての樹木位置を自動で把握することが可能である。

航空機レーザーと地上レーザーの違いとしては、航空機レーザーではアクセスが悪い地域を上空からデータ取得することができ、地上レーザーは現地までいかなければならないというデータ取得の仕方に違いがある。広域でデータを取得するのであれば、航空機レーザーが優れている一方で、計測には多額の費用がかかる。しかし、地上レーザーデータ取得は、航空機レーザーに比べ1/10以下の費用で済み、センサー複数箇所設置して様々角度からデータ補完ができれば、衛星レーダー等の現地検証用データとして確実にデータが取得できる。今後は、様々な樹種に対して解析結果の信頼性を向上させ
図7 落葉による後方散乱係数の変動

るとともに、最適な地上レーザー設置場所等を検討する必要がある。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## （1） 科学的意義

初期の頃の航空機レーザーを用いた解析技術は、単木判読ができるほどの点密度がなかったため、3次元分布を用いたモデル式による材積推定を行っていた。その後、樹高判別や樹木位置の直接計測が可能となり、レーザー技術の発展により詳細な形状を点密度の高いデータで取得可能となった。航空機レーザーは炭素蓄積量を最も正確に把握できる手法であり、森林を3次元で計測可能である。しかし、レーザーセンサー自体は世界中どこでも利用可能ではなく、費用面でも航空機レーザーが取得できる場所には限りがある。そこで、天候に関係なく世界中どこでもデータを取得できる衛星レーダーがより汎用性が高いモニタリング技術である。日本の衛星ALOSが搭載しているPALSARは、L-bandを使用しているため、樹冠内部の体積散乱を得る特徴がある。L-bandは、針葉樹一斉林に対しては100トン/haが飽和値であると言われており、偏波はHV偏波が最もバイオマス量計測に向いている。しかし、より詳細なバイオマス変化量（立木密度の変化）がどのように後方散乱係数に影響しているかわかっていない。本研究で間伐等の森林整備を行い、そのバイオマス変化量を航空機レーダーデータで把握し、航空機レーダーデータ結果をグランドトゥルースとして、衛星PALSARデータの後方散乱係数の変化と比較し、より詳細な解析ができるようにした。

その一方で、地上レーザーは直接計測可能であるため、モデル式に頼らずに取得したデータをそのまま材積算出に使用できる。また、近年のセンサーは半径600mまでデータ取得ができるため、国内での小規模林地に対して航空機レーザーよりも安価にデータ取得ができ、国外ではREDD等のMRV（Measuring, Reporting, and Verification）において検証用データとして、途上国の現地作業員の計測誤差なく、同じ手法で客観的な検証データとして提供できる有効な手法であることがわかった。

レーザーデータを衛星レーダーのためのグランドゥルースとして使用するには、衛星レーダーの照射角度を考慮した解析を行い、結果を照合しなければ正確に比較検討ができない。これまでの衛星レーダーを用いた研究では、限られた調査プロットでの調査データを衛星レーダーの解析結果と比較することが多かったため、場所のズレや測定範囲が限られていたため、確証性が低かった。しかし、本研究では地域全体のバイオマスを比較した研究ができ、樹冠反射量まで比較し検討することができた。本研究により対象地全体でのバイオマス量を比較することで、問題点を明らかにすることができたことは大変意義のある研究である。

さらに、バイオマス量の基となっている材積量が樹冠体積と関係性がないことが本研究を通して明かとなったことで、衛星データとバイオマス量を比較検討するためには、樹冠形状と幹体積（材積）との関係性をより明らかにする必要がある。今後森林生態学の研究者とともに、樹木成長に伴う材積増加と樹冠構造の変化を把握し、樹冠体積と幹体積の関係性を明らかにしていきたい。
## （２）環境政策への貢献

本研究の解析技術は国内外における環境政策に貢献できる。国内では、環境省地球温暖化対策法において京都議定書目標達成、国内排出量取引、または森林等における吸収作用の保全が重要視されている。レーザーによる詳細な森林構造は、森林の現存量・成長量・伐採量の把握に有効で、開発した技術及びデータの提供を行うことで、政策推進に大きく貢献できる。海外では、国連が主導しているREDDで、炭素蓄積が多い熱帯林での正確な炭素動態モニタリングが重要な課題となってきている。REDDのモニタリングには、森林伐採による炭素変化量抽出が必要で、国家間で競って新しいリモートセンシングセンサー技術導入やモニタリング手法の確立を行っている。我が国でもこの世界の動きに乗り遅れないために、モニタリング手法開発が急務の課題となっている。本研究では、日本が開発した衛星ALOSを利用する上で、バイオマス量変化量を検証するために何が必要かを明らかにした。今後ALOS2が打ち上げられれば、1～3mの分解能となり、高解像度レーダー画像の現地検証用データとして3次元レーザーがより有効利用できる。全地球レベルでバイオマス変化量をモニタリングする際、正確で客観的な現地調査データをレーザーにより提供でき、衛星データの解析精度を向上させることができる。よって、本研究を進めることで世界での環境政策に大きく貢献できる。

### 6. 研究成果の主な発表状況

## （１）主な誌上発表

## く査読付き論文>

1) Kato, A., Moskal, L. M., Schiess, P., Swanson, M. E., Calhoun, D. (2010) "True Orthophoto Creation Through Fusion of LiDAR Derived Digital Surface Model and Aerial Photos" Proceedings of ISPRS Commission VII Symposium 2010, p88–93.

2) Kato, A., Kobayashi, T., Moskal, L. M., Schiess, P., Calhoun D. (2010) “Certification of Carbon Credit Using Airborne LiDAR”, Proceedings of Silvilaser 2010, p127–141.

3) Kato, A., Watanabe, M., Kobayashi, T., Yamaguchi, Y., Isaka, J. (2011) “Monitoring Forest Management Activities Using Airborne Lidar and ALOS PALSAR”, IEEE IGARSS 2011, p2318–2321

4）加藤顕、小林達明、福田聖一、有村恒夫（2011）“法面緑化地での車載レーザー利用のためのシミュレーション開発”，日本緑化工学会誌37（1），p96-101.

5) Kato, A., Moskal, L. M., Kobayashi, T. (2011) “Effect of Scan Coverage on Stem Diameter Measurement Using Terrestrial Lidar”, Proceedings of Silvilaser 2011, p171-179.

6) Kato, A., Watanabe, M., Yamaguchi, Y., Kobayashi, T. (2012) “Detecting Seasonal Change of deciduous trees using ALOS PALSAR and airborne lidar”, IEEE IGARSS 2012, (In Press)

7）根本 光、加藤 顕、小林達明（2012）“航空機レーザー測量を用いた異なるスケールアプローチでのスギ・ヒノキ林材積の推定”、日本緑化工学会誌38（1）、（In Press）

8）林敏樹、加藤顕（2012）“地上レーザーを用いた外来抽水植物の地図作成技術”，日本緑化工学会誌38（1），(In Press)

9) Kato, A., Kobayashi, T., Moskal, L. M. (2012) “Automatic Reconstruction of Tree Stem Using Terrestrial Lidar”, Proceedings of Silvilaser 2012, (In Press)

## （２）主な口頭発表（学会等）

1) Kato, A., Moskal, L.M., Schiess, P., Swanson, M.E., Calhoun, D. (2010) "True Orthophoto Creation Through Fusion of LiDAR Derived Digital Surface Model and Aerial Photos" Proceedings of ISPRS Commission VII Symposium 2010, Vienna, Austria, July 2010

2）加藤顕、小林達明、根本光（2010）“航空機または地上型レーザーによる樹木形状把握”、日本緑化工学会研究交流発表会、第41回日本緑化工学会、2010年9月、岡山大学

3) Kato, A., Kobayashi, T., Moskal, L. M., Schiess, P., Calhoun, D. (2010) "Certification of Carbon Credit Using Airborne LiDAR", Silvilaser 2010, Freiburg, Germany, September 2010

4）加藤顕（2011）“排出量取引に向けたレーザー技術による炭素蓄積量把握”、千葉大学 新技術説明会、2011年2月、JSTホール

5）加藤顕、梅木清、小林達明（2011）“地上レーザー計測による樹木パラメータ抽出”、第58回日本生態学会、2011年3月、札幌コンベンションセンター

6）加藤顕、小林達明（2011）“航空機及び地上レーザー測量を用いた樹木構造把握”、第122回日本森林学会、2011年3月、静岡大学
7）根本 光、加藤 顕、小林達明（2011）“航空機レーザーデータを用いたサンブスギ林の材積量の推定”、第122回日本森林学会、2011年3月、静岡大学

8) Kato, A., Kobayashi, T., Moskal, L. M. (2011) “Evaluating Ecosystem Services of Urban Forest using LiDAR”, AAG Annual Meeting, April 2011, Seattle Convention Center, Seattle USA

9）加藤顕、小林達明（2011）“航空機レーザーとハイパースペクトルを用いた病害木判定技術の開発”、平成23年度年次学術講演会、日本写真測量学会、2011年5月東京大学生産技術研究所

10）加藤顕、小林達明、福田聖一、有村恒夫（2011）“車載レーザースキャナーを用いた植生状況把握”、平成23年度年次学術講演会、日本写真測量学会、2011年5月東京大学生産技術研究

11) Kato, A., Watanabe, M., Kobayashi, T., Yamaguchi, Y., Iisaka, J. (2011) “Monitoring Forest Management Activities Using Airborne Lidar and ALOS PALSAR” IGARSS 2011, July 2011, Vancouver Convention Center, Canada

12）加藤顕、小林達明、福田聖一、有村恒夫（2011）“法面緑化地での車載レーザー利用のためのシミュレーション開発”，第42回日本緑化工学会大会、2011年9月千葉大学

13) Kato, A., Moskal, L. M., Kobayashi, T. (2011) “Effect of Scan Coverage on Stem Diameter Measurement Using Terrestrial Lidar”, Silvilaser 2011, October 2011, University of Hobart, Australia

14) Kato, A., (2011) “Estimating Aboveground Biomass Using PALSAR and LiDAR”, 2nd International Polarimetric SAR Workshop in Niigata 2011, October 2011, Niigata, Japan

15）加藤顕、（2012）“レーザーリモートセンシングによる木質バイオマス計測、第14回CEReS環境リモートセンシングシンポジウム、2012年2月千葉大学けやき会館

16) Kato, A., Moskal, L. M., Kobayashi, T. (2012) “Efficient and Accurate Measurement of Stem Volume Using Terrestrial Lidar”, AAG Annual Meeting, March 2012, New York Sheraton Hotel, New York USA

17) Kato, A., Kobayashi, T., Umeki, K. (2012) “Quantifying Ecosystem Services Using Laser Remote Sensing”, 日本生態学会第59回大会、第5回東アジア生態学会連合大会2012年3月、龍谷大学

18）加藤顕（2012）“地上型3Dレーザースキャナーによる木質バイオマス計測”、第123回日本森林学会、2012年3月、宇都宮大学

19）阿部 航、加藤 顕（2012）“スギ材積算出における溝腐病の影響について”、第123回日本森林学会、2012年3月、宇都宮大学

20）加藤顕、小林達明（2012）“地上レーザーを用いた木質バイオマス計測”、平成24年度年次学術講演会、日本写真測量学会、2012年5月東京大学生産技術研究所

21）加藤顕（2012）衛星データのグランドトゥルースとしてのレーザーデータ利用、第52回（平成24年度春季）学術講演会、2012年5月 東京大学生産技術研究所

22) Kato, A., Watanabe, M., Yamaguchi, Y., Kobayashi, T. (2012) “Detecting Seasonal Change of Deciduous Trees Using ALOS PALSAR and Airborne Lidar”, IEEE IGARSS 2012, August 2012, Munich Germany（アクセプト）

23) Kato, A., Watanabe, M., Yamaguchi, Y., Kobayashi, T. (2012) “Monitoring Forest Biomass Change by ALOS PALSAR and Airborne Lidar”, ForestSAT 2012, Sept. 2012, Oregon USA (アクセプト)

### 7. 研究者略壓

課題代表者：加藤顕

米国 ワシントン大学森林資源学部卒業、農学博士、現在千葉大学園芸学部助教
# RF-1006 航空レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備に伴うバイオマス量変化の把握 (1) 航空レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備に伴うバイオマス量変化の把握

千葉大学 大学院園芸学研究科

緑地環境学コース 緑地科学領域 再生生態学研究室

加藤 顕

平成22～23年度累計予算額：12，951千円

（うち、平成23年度予算額：6，309千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 国内の環境政策である環境省地球温暖化対策法において森林の保全が重要視されている。また国際的な環境政策であるREDD（Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation in Developing Countries，森林減少・劣化からの温室効果ガス排出削減）では、熱帯林でのモニタリングを必要としている。これらの政策を推進するためには、現存する森林域のバイオマス量を把握する以上に、間伐等の整備による炭素変化量をより正確に定量化する必要がある。本研究では、航空機レーザー測量及びPALSARを用いた森林整備に伴うバイオマス量変化の把握をボトムアップ・アプローチで行った。衛星レーダーデータ（ALOS PALSAR）による広域（県全域レベルや市レベル）の解析結果を、航空機レーザーを用いた3次元森林構造解析と比較した。さらに地上レーザーも導入し、正確なバイオマス計測手法を確立した。間伐等の森林整備を研究期間中に行い、現地調査で森林整備に伴うバイオマス量変化を把握した。その変化を航空機レーザーデータで定量化し、PALSARの後方散乱係数の偏波変化と比較した。また広葉樹林を対象に航空機レーザーと衛星レーダーデータを取得し、落葉による影響も考慮した。これらの解析結果より、地上レーザーを用いるだけで単木単位の幹体積が非破壊により自動算出できる手法が確立し、グランドトゥルースとして用いることができることを実証した。また、航空機レーザーを樹高ベースでバイオマス量を把握できるモデルを確立し、対象地全域でバイオマス量を推定できるようにした。しかし、航空機レーザーからの結果と衛星レーダーの後方散乱にはあまり相関関係がなかった。その理由として、PALSARの体積散乱に関係がある樹冠量と幹体積（バイオマス量）には関係性があまりなく、今後、幹体積と樹冠量の関係を明らかにする必要があることがわかった。衛星レーダーは斜角でデータを取得している一方で、航空機レーザーはオルソ角によって解析されているため、取得角度の違いが比較検証する際に結果に影響を及ぼしていることがわかった。

[キーワード] レーダー、レーザー、炭素蓄積、バイオマス量、森林整備

### 1. はじめに

リモートセンシングによるバイオマス量変化の把握は、国内外の環境政策で重要な課題となってきている。国内では排出量取引導入に向けての準備段階としてオフセット・クレジット(J-VER)があり、J-VERは第三者機関として化石燃料使用削減を行っているプロジェクトを認証し、排出量の多い事業体との間でカーボンオフセットを認めている。J-VERでは、森林域排出削減活動として森林整備を促進しており、森林からのバイオマス利用を促進することで化石燃料消費抑制を目指
している。現存する森林からカーボンクレジットを得るには、京都議定書で森林吸収源（炭素蓄積）として考えられる人為活動に、①新規植林　②再植林　③森林経営　が認められているが、国土が狭く森林が既に7割を占めている我が国において、植林よりも森林整備によって炭素蓄積および削減量を補う必要がある。

国際的取り組みとしては、REDD（Reduced Emissions from Deforestation and forest Degradation, 森林減少・劣化からの温室効果ガス排出削減）があり、途上国での熱帯林保全でカーボンオフセットできる仕組みがある。特に違法伐採を止めることで熱帯林に蓄積されている炭素量を保つことを目指している。

国内の環境政策であるJ-VERでは、カーボン算出手法のスキームがすでに確立、公開されており、材積（幹体積）を基に枝葉や根量の拡大係数、また密度係数を掛け合わせることで、樹木の総バイオマス量を算出する。そのバイオマス量に0.5を掛け合わせることで炭素量まで算出できる。J-VERは国内林地を対象とするため、小規模林地を対象とした詳細な森林モニタリング手法の確立が必要であり、地域での森林簿・森林計画図の作成が求められている。その一方でREDDに関しては、国・県レベルの広域を対象とするため、広域での土地利用図作成が求められている。REDDでのスキームは、土地利用図にその土地の平均材積（国レベルで予め決まっている係数）を掛け合わせ、その対象地全域の材積・炭素量を推定している。よって、土地利用図や経年的土地利用変化を広域で把握できるモニタリング技術、そのためのリモートセンシング技術が望まれている。同じカーボンオフセットのための環境政策ではあるが、スケールの違いによって期待されるモニタリング手法が異なってくる。

森林の現存するバイオマス量を把握する以上に、間伐等の整備による炭素蓄積量をより正確に定量化し、炭素吸収量を「見える化」する必要が出てくる。これら国内外の環境政策に対するモニタリングターゲットは、モニタリング対象森林のスケールが異なるものの、共通しているのは森林整備等の人的活動であり、そのためのモニタリング手法の確立が必須である。これらモニタリングには、目的のスケールに応じた様々なセンサーを適応していかなければならない。J-VERに対しては詳細な森林整備状況がモニタリングできるレーザーリモートセンシング技術、REDDに対しては県・国レベルで広域モニタリングできる衛星レーダーリモートセンシング技術が最も適している。

これまでの広域リモートセンシングでは光学センサーとしてLandsat衛星やSPOT衛星が用いられてきた。しかし、光学センサーの欠点として、天候によって対象地が雲に覆われてしまい経年的データの取得が保証できない。特に熱帯林地域のように天候の変化が激しい場所での経年的モニタリングには光学センサーでは限界があった。しかし近年衛星レーダーによるモニタリングがより安価で利用可能となり、天候による影響なく土地利用状況を経年的にモニタリングできるようになった。また地域レベルでは、航空機レーザー(airborne LiDAR, Light Detection and Ranging)による3次元データが取得可能となり、森林構造を3次元で解析可能となった。

本研究の目的は最新の航空機レーザー測量及び衛星レーダー（PALSAR、合成開口レーダー）を用いて森林整備によるバイオマス変化量を把握することである。航空機レーザーデータは地域レベルの森林整備状況を詳細に把握できる。その詳細な結果を広域モニタリングができる衛星レーダーからの解析結果に適応することで、衛星レーダーによる森林整備状況の把握を行う上での問題点を明らかにする。そのために、最も詳細にデータ取得ができる航空機レーザーデータを取得
し、取得した同じ場所で衛星レーダーでのデータを解析し、結果を比較することで衛星レーダーデータを解析する際の問題点を考察する。航空機レーザーデータの限界を補うため、航空機レーザーと同じセンサーで、地上設置型のもの（地上レーザーデータ，terrestrial LiDAR）を用いることで、航空機レーザーでは把握できないより詳細なバイオマス量を地上レーザーデータから得たい。

## 2 ．研究開発目的

本研究タイトルに「航空レーザー測量」という名称を使用したが、本報告書内では表記を統一させるために、「航空機レーザー測量」のことを「航空機レーザー」と表記を統一させ、地上レーザーとの取得方法の違いを明確にする。

本研究はボトムアップアプローチ（図(1)-1）により、様々なスケールで異なるセンサーを用いてモニタリング技術の検討を行った。ボトムアップアプローチとは、現地調査で測定したデータを航空機レーザーデータからの結果と比較して地域レベルのバイオマス量へ外挿するモデルを構築する。その結果を衛星レーダーデータからの結果と比較する。また、航空機レーザーでは森林構造を把握する上で限界があり、その限界を補うために地上レーザーデータを導入・取得し、地上レーザーを現地検証用データ（グランドトゥルース）として使用する有効性を検討した。本研究では衛星レーダーを森林整備地域のモニタリングを行う上で、問題点を明らかにするために2つの視点で研究を行う。

## （１）衛星レーダーによる森林整備地域の把握

航空レーザーと衛星レーダー（PALSAR）を用いて、森林整備に伴うバイオマス変化量を把握する。森林整備に伴うバイオマス量変化を把握するために、研究対象地で本研究のために間伐を行い、間伐前後での航空機レーザーデータから詳細な変化を把握し、同じ対象地で衛星レーダーからの解析結果と比較する。研究対象地は国内であるが、衛星レーダーは世界中で取得可能であるため、得られた知見は今後の衛星レーダーを用いたバイオマス量推定の解析等に役立てたい。また、航空機レーザーを衛星レーダーの現地検証用データとして使用する際の問題点も明らかにする。

## （２）森林整備地域と落葉の関係

航空機レーザーデータより針葉樹林域を対象にデータ解析を行い、その後落葉広葉樹林域でのデータ取得を行う。経年的モニタリングを行う上で森林整備による変化と落葉による影響の違いを把握しなければならない。落葉による影響を衛星レーダーから把握できるか検討する。

## （３）ボトムアップアプローチとして、レーザーデータを利用したグランドトゥルース

レーザーデータの取得方法としては、これまで主に航空機レーザーと地上レーザーとがある。用いるセンサーの種類は同じであるが、データ取得方法に違いがある。

レーザーデータは容易に、そして正確に3次元データ取得が可能であるため、近年衛星レーダーデータのグランドトゥルースとしてデータ取得されるようになってきている。しかし、3次元で取得できるレーザーデータをグランドトゥルースとして用いる際、データ取得方法（航空機からの照射か地上設置による照射）で解析方法も結果も異なるため、本研究では航空機レーザーばかりでなく、地上レーザーも用いてレーザーデータのグランドトゥルースとしての利用を検討した。
## 国・県レベル:

⇒解像度5 m²に樹高20mのスギ1本まで測定可能。間伐や枝打ち等の森林整備がそこまでの立木本数になれば、変化量を抽出することが可能

図(1)-1 ボトムアップアプローチ。

### 3. 研究開発方法

## （1） データ

本研究対象地は針葉樹主体の千葉県山武市と落葉広葉樹主体の東京都西部にある東京都公園野山北・六道山公園である。研究対象地として選定した理由は、千葉県山武市では市所有林で山武市との協力の下、間伐等を行うことができ、間伐による取得するリモートセンシングデータへの影響を研究できる研究環境がある。また、野山北・六道山公園は、典型的里山林であり、山武市とは異なり広域に落葉広葉樹林が成立している。その森林区域ははっきりと分かれており、斜面にはコナラ・クヌギ等を主体とした落葉広葉樹があり、尾根沿いはアカマツ等を主体とする針葉樹がある。主な樹種が落葉広葉樹であるため、広域に落葉の影響を衛星レーダーデータ上で比較・検討しやすい地域である。

## 1 ）針葉樹林（千葉県山武市）

千葉県山武市、市の所有林である日向の森を研究対象地とし、高密度データを効率良く取得できる連続波形記録方式（full waveform）を採用しているRiegl社製センサーを搭載している航空機レーザーによってデータを取得した。日向の森は、全体約9 km²ある。山武市は、銘木サンブスギ（Cryptomeria japonica）の生産地であり、林業地であった。しかし長い間管理放棄されたため、非赤枯性溝腐病（Phellinus punctatus (Fries) Pilát）が蔓延している。本プロジェクトは山武市と共同で研究を行っている。

## 2 ）落葉広葉樹林（東京都公園野山北・六道山公園）

落葉広葉樹が主体の野山北・六道山公園は、全体で約200haある。東京都が定期的に間伐・下刈り等を行っている管理された場所とそのまま自然状態で遷移している場所とがあり、様々な立木密度で森林が構成されている。