JP2005034100A

JP2005034100A - 全天下光環境評価方法

Info

Publication number: JP2005034100A
Application number: JP2003276720A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ishida; 仁石田
Original assignee: Toyama Prefecture
Current assignee: Toyama Prefecture
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: JP3735621B2

Abstract

【課題】小型で簡単な装置を用いて、正確な解析・評価が可能な全天下光環境評価方法を提供する。
【解決手段】デジタルカメラ１２を用いて全天写真を撮影し、その画像の各ピクセル毎の光量であるピクセル値を横軸に取り、縦軸に上記撮影画像のピクセル値毎の出現頻度を表したピクセル値の頻度分布曲線を基にして、この頻度分布曲線の曲率が最大となるピクセル値を光遮蔽物と光源となる空を分離する閾値とする。この閾値よりも値の大きいピクセル値を有するピクセルの数を求め、上記閾値以上のピクセル値をサンプリングする。各サンプルの天頂に向かう軸に対する角度の余弦値を掛けた値を集積して全天下の光環境値とし、各光環境下の上記光環境値を全天に遮蔽物のない状態の上記光環境値で割った値を、その場所における相対光量として評価する
【選択図】なし

Description

この発明は、デジタルカメラで撮影した全天写真画像を基に、林内光環境等を解析する全天下光環境評価方法に関する。

従来、樹木の成長や育成、生存率に関する指標として、林内光環境を評価することが行われている。この評価には、フィルムカメラで撮影された全天写真を基に、林内光環境の解析を行っていた。しかし、フィルムカメラで撮影された画像は、解析に至るまでにフィルムの現像、画像のスキャニング、トリミングおよび全天写真の範囲の決定などに多くの時間と労力が必要であった。

一方、近年デジタルカメラを用いて、全天写真を撮りその画像を評価する研究が行われてきている。

特開平５−２１１８２２号公報特開平５−３２８８４７号公報

デジタルカメラにより撮影された全天写真の画像は、いずれも閉鎖林冠下での光環境が過大に推定され、実際の光環境を正確に表した評価ができないものであった。また、デジタル画像の二階調化処理は、最新の研究でも「人の目」による主観的判断に基づく方法が主流となっており、正確な評価解析に用いることができる二階調化処理を自動的に行う処理方法は確立されていない。全天写真の二階調化処理の自動化に関しては、閾値を固定値とする方法、級間分散を最大化し閾値を検出する方法が提案されているが、撮影条件が厳しく制限される、推定精度が不十分である等の欠点があった。

この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、小型で簡単な装置を用いて、正確な解析・評価が可能な全天下光環境評価方法を提供することを目的とする。

この発明は、デジタルカメラを用いて全天写真を撮影し、その画像の各ピクセル毎の光量であるピクセル値をサンプリングし、各ピクセル値を横軸に取り、縦軸に上記撮影画像のピクセル値毎の出現頻度を表したピクセル値の頻度分布曲線を基にして回帰曲線を求め、この曲線の曲率が最大となるときのピクセル値を光遮蔽物と光源となる空を分離する閾値とし、この閾値よりも値の大きいピクセル値を有するピクセルの数を求め、上記閾値以上のそのサンプルの天頂に向かう軸に対する角度の余弦値を掛けた値を積算して全天の光環境値とし、各光環境下の上記光環境値を全天に遮蔽物のない状態の上記光環境値で割った値を、その場所における相対光量として評価する全天下光環境評価方法である。

特に、上記頻度分布曲線を基にした回帰曲線の曲率が最大となるときのピクセル値を閾値とした後、上記閾値以上のピクセル値を持つ上記画像データの各ピクセルを、所定の天頂角度帯別にカウントし、そのピクセル値に対して天空輝度分布により光源としての所定のウェイトをかけ、上記ウェイト付けした各ピクセル値により上記天頂角度帯別の光量を求め、上記天頂角度帯別の光量を全天分積算して全天光環境値を推定する処理を行うものである。

この発明の全天下光環境方法は、デジタルカメラで撮影された全天写真から、自動的かつ高精度で林内等の全天下相対散乱光量を推定することができる。また、装置も画像解析ソフトの他には、魚眼レンズを装着できるデジタルカメラと全天写真の撮影に必要な一脚や水準器等わずかな構成および費用で実施可能であり、安価で簡単な装置により測定が可能なものである。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。この実施形態では、図１に示すように、魚眼レンズ１０を装着したデジタルカメラ１２を用いる。デジタルカメラ１２は、所定の被測定環境下に設置し、魚眼レンズ１０の光軸が垂直になるように天頂に向けて固定する。デジタルカメラ１２により撮影したデータは、後にパソコン１４の記憶装置に入力し、後述する処理方法により画像処理し、全天下の光環境を評価する。

全天下の光環境を評価するに際して、先ず多様な光環境下で撮影されたデジタル全天写真を用い、その撮影データのピクセル値の頻度分布パターンを求め、ピクセル値の頻度分布図上で、二階調化のための閾値を定める。

閾値を定めるために、開放地から閉鎖林冠下に至る２１地点の全天写真を用い、各ピクセル値の頻度分布をもとにクラスター分析を行った。全天写真のピクセル頻度および閾値の出現位置に関し、図２に示すような結果が認められた。

即ち、１．明るさごとに分類され、明るくなるに従い頻度分布曲線が、Ｌ字型 → 二峰分布 → ベル型分布へと変化する。２．図２の各色の頻度分布曲線のグラフにおいて、左端にＬ字型の減少曲線が現れる。３．閾値はＬ字型減少曲線の曲率が大きくなったところに出現する。従って、閾値を検出するための計算は、以下のように行うこととした。

１．頻度分布曲線は以下の数式（１）で表される曲線とした。（L-字型分布に対する曲線の回帰）

ここで、ｐはピクセル値、ｃ_１、ｃ_０、αは所定の定数
２．回帰曲線上での曲率の計算と最大曲率点(閾値)の検出
図３に示すように、回帰曲線ｆ上の任意点における曲率θを以下の数式２のように定義する。

ここでｖ_１，ｖ_２は±１ピクセル幅の関数ｆ上の差分ベクトルである(図３右上の矢印)。

そして、図３に示すように、所定区間の中での最大曲率θmaxをとる点の輝度Ｐθmaxを、下記の数式（３）閾値Ｔとした。即ち、閾値Ｔは、頻度分布曲線ｆの曲率が最大値となるピクセル値である。

この閾値を基に、全天下の光環境を評価するための相対光量を算出する。この計算において、全天写真からAndersonの方法によってdiffuse transmittance、ＤＩＦphotoを計算した。天空の輝度(luminance)Ｌは、以下の数式（４）のＳＯＣモデル（Moon and Spenser, 1959）に従うものとした。

ここで、ｚは天頂角(zenith angle)、Ｌｏは天頂輝度であり1とした。
全天写真上の写真座標（ｘ，ｙ）で、天頂角ｚ、方位角（azimuth）ａの点は、以下の数式（５）のように表される。

ここで、Ｄ（ｚ）は、天頂角ｚと全天写真の中心（ｃｘ，ｃｙ）からの距離の関係式である。ＤＩＦphotoを計算するに当たって、全天写真の中心から同心円状にピクセル値のサンプリングを行った。天頂角度帯別（1度刻み）のピクセルのサンプル数ａｎは、半球の面積割合に応じ、次の数式（６）によって与えた。

そして、全く遮蔽物が無い場合の１００％光量ＳＯＣｏは以下の数式（７）によって計算した。

全天写真一枚についてのサンプル・ポイント総数は、例えば44632点である。

サンプルされたピクセルは、撮影画像の256階調のRGB（red、green、blue）のピクセル値Ｐ_Ｒ、Ｐ_Ｇ、Ｐ_Ｂを持つ。全天写真内の空と光遮蔽物の閾値がＲＧＢごとに（Ｔ_Ｒ、Ｔ_Ｇ、Ｔ_Ｂ）であるとき、全天写真撮影地点の光量ＳＯＣを次の数式（８）によって計算した。

ここでa=360 a’/snである。s (a, z)は、点(a, z)が空の時は１、そうでない時は０をとるスイッチ関数で、以下の数式（９）のように定義した。

以上より、ＤＩＦphoto は、次の数式（１０）によって計算した。

以上の計算処理を実行するためのプログラムソフトを作成し、パソコン用のプログラムとして作成しパソコン１４内に組み込んだ。

この実施形態の全天下光環境評価方法によれば、基本的に魚眼レンズを装着できるデジタルカメラ等わずかな構成および費用で実施可能で、林業関係の研究者のみならず、環境アセスメント、立地評価、その他中学・高校等の教材等で活用され得る。

この解析・評価方法で推定した相対光量（ＤＩＦphoto）と、光センサーによる実測値光量を基にした相対光量（ＤＩＦsensor）の相関調査を行った。

調査は富山林業試験場の試験林で実施した。図４のa〜hの各グラフは、開放地からスギ人工林にかけての１０１個所の定点における上記相関調査結果である。iは、スギ人工林、コナラ−アカマツ二次林、林道、ギャップ等多様な環境下での調査結果。AE-Lockの露出は、調査開始時に固定。

AE-Lockによる撮影では、露出が-2〜2eVの範囲でＤＩＦphotoとＤＩＦsensorの間に高い相関が得られた(決定係数 0.99以上)。ＤＩＦphotoの平均誤差は、-1〜1eVの範囲で-2.4〜1.0%で、-1〜1eVの範囲で-3.9〜2.1%であった。グラフのａ，ｂに示すように露出アンダーの時に過小、グラフのｄ，ｅに示すようにオーバーの時には過大となる傾向が認められたが、AE-Lockによる露出設定後、天空の明るさが25〜400％変動してもおおむね実用的な精度が得られることを示すものと言えた。

実際に、日没時の調査（グラフｇ）では、開放環境下の明るさが調査期間中１２０ｌｘから１０ｌｘへと減少したが、十分に高い精度が得られた。グラフｉのデータは、色々な林の中をさまよい歩いて得た調査結果であるが、回帰式の決定係数は0.988、平均誤差は-1.2%であった。

以上の結果から、開放地から閉鎖林冠下に至る環境下で、高い精度で相対散乱光が推定された。AE-Lock法による露出設定後、天空の明るさが露出設定時の25〜400％に変化した場合も、実用的な精度（決定係数0.99以上）が得られることが分かった。

この発明の全天下光環境評価方法は、環境アセスメント、林業の立地評価等で活用されると考えられる。簡便で迅速かつ正確な林内光環境の推定を可能にし、森林育成にかかわる事業および調査、研究等の促進に寄与する。植物園や屋内植物栽培場、植物生産工場等の光環境の制御にも利用可能である。

この発明の一実施形態の全天下光環境評価方法に用いる装置の概略を示す図である。この発明の全天下光環境評価方法を適用する林間での各地点の全天写真と、撮影データのピクセル値の頻度分布曲線のグラフである。この発明の全天下光環境評価方法に用いるピクセル値の頻度分布曲線の閾値を定める方法示すグラフである。この発明の全天下光環境評価方法により種々の環境下での相対光量と、同地点での光センサーにより測定した相対光量の相関を示すグラフである。

符号の説明

１０魚眼レンズ
１２デジタルカメラ
１４パソコン

Claims

デジタルカメラを用いて全天写真を撮影し、その画像の各ピクセル毎の光量であるピクセル値をサンプリングし、各ピクセル値の出現頻度分布曲線を求めてその頻度分布曲線を基にして、この曲線の曲率が最大となるピクセル値を光遮蔽物と光源となる空を分離する閾値とし、この閾値よりも値の大きいピクセル値を有するピクセルの数を求め、上記閾値以上のピクセル値をサンプリングし、そのサンプルの天頂に向かう軸に対する角度の余弦値を掛けた値を集積して全天下の光環境値とし、各光環境下の上記光環境値を全天に遮蔽物のない状態の上記光環境値で割った値を、その場所における相対光量として評価することを特徴とする全天下光環境評価方法。