JP5269729B2 - 樹木情報計測方法、樹木情報計測装置、プログラム - Google Patents
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Description
樹木情報計測方法を適用した樹木情報計測装置100の態様及び移動態様について説明する。本実施形態の樹木情報取得方法では、2つの方法で樹木情報計測装置100に森林を走査させることができる。図2(a)は計測者の歩行による走査方法を模式的に示す図の一例を、図2(b)は歩行走査に用いられる樹木情報計測装置100の斜視図の一例をそれぞれ示す。なお、携行による走査と移動体による走査のいずれ
の場合も、ある位置に停止して計測することと移動を繰り返すこと、又は、移動しながらの計測、のいずれも可能である。
森林は必ずしも平坦ではないし、樹木間が枝や植物でふさがれていたり、落ち葉等で後述の移動体20が移動することが困難な場合があるのに対し、人間であれば比較的自由に樹木間を移動できる。このため、樹木密度が大きい森林では特に歩行による走査が好適な場合がある。精度のよい樹木情報を取得するためには、なるべく高精細に移動することが好ましい。森林内を人間が不作為に移動してもよいし、例えば、効率的に森林の全体を走査できるように定められたルートにある特定の樹木に触れるようにしながら移動してもよい。
樹木情報計測装置100は、制御部13により制御され、制御部13には走査型レーザ距離計16、高度計15、GPS受信機12、加速度センサ10及びカメラ11が接続されている。接続には、例えばUSB(Universal Serial Bus)、IEEE1394、Bluetooth等が用いられ、有線・無線のいずれで接続してもよいし、接続方式は互いに異なっていてもよい。
続いて、樹木情報計測装置100に森林を走査させるもう一つの方法について説明する。図3(a)は移動体20による走査方法を模式的に示す図の一例を、図3(b)は移動走査に用いられる樹木情報計測装置100の斜視図の一例をそれぞれ示す。なお、図3において図2と同一部には同一の符号を付しその説明は省略する。
移動体20の移動方向は、森林の全体又は森林の所定範囲を走査するよう定められている。例えば、森林の全体をマス状に区切り、各マスを1度以上通過するようにプログラムされている。また、より簡易な方法として、例えば傾斜に対し傾斜を下る(登る)方向の一方向に、又は、東西南北のいずれかの方位の一方向に、移動方向を定めておいてもよい。
続いて、制御部13について詳細に説明する。制御部13は、パーソナルコンピュータなどのコンピュータを実体とする。制御部13の代わりに、携帯電話、PHS、スマートフォン等を搭載してもよく、この場合、距離データ等をデータ処理するサーバに容易に送信することができる。
図4(b)は、制御部13の機能ブロック図の一例を示す。まず、空間生成部37は、森林全体を含みうる三次元空間を設定する。三次元空間の1点は、X座標、Y座標、Z座標により特定できる。座標系はGPS座標系(WGS-84座標系)を利用すればよいが、三次元直交座標系を用いてもよい。少なくとも1点以上がGPS受信機12によりその位置を計測され、緯度・経度・標高と対応づけられている。
特徴データ抽出部31は、距離データから特徴データを抽出する。図5(a)は、距離データを取得する樹木の様子の一例を示す図である。図示するような複数の樹木に対し、走査型レーザ距離計16は、A〜Cの樹木だけでなく検出距離内にある全ての樹木に反射した距離データを取得しうる。このとき、所定距離以内の地面の距離データも抽出される。樹木情報計測装置100の高さ方向の位置はスキャンマッチングによっても求められるが、地面の距離データにより森林が平坦でない場合の地面の標高を、GPS受信機12又は高度計15を使用せずに取得することも可能である。
ところで、遠方の樹木の距離データは密度が小さく誤差も大きくなるため、樹木データの取得に好適とは限らない。また、樹木情報計測装置100は十分に精細なルートをもって森林内をくまなく走査する。したがって、取得された距離データの全てを必ずしも全て利用する必要はない。このため、特徴データ抽出部31は所定距離(例えば、20m)以内の距離データのみを抽出する。これにより、図5の樹木であれば、例えばA〜Cの樹木のみの距離データを抽出でき、同時に、密度の小さい距離データを排除できる。さらに、孤立した距離データを排除してもよい。
スキャンマッチング部32は、1群の距離データAを位置Aで、別の1群の距離データBを位置Bで、それぞれ取得した際に、1群の距離データAと1群の距離データBの対応関係の評価値が最小となる対応情報(変換行列)を求める。なお、取得した距離データは、走査型レーザ距離計16の座標系から上記の座標系(GPS座標系)に変換されている。
スキャンマッチングによる樹木情報計測装置100の位置の検出は、走査を開始した開始位置の距離データに対し、次々と距離データを対応させて推定したものであるので、時間がたつと誤差が累積する。このため、位置・姿勢補正部36は、定期的又は所定距離移動したら、スキャンマッチングにより推定した樹木情報計測装置100の位置を補正する。GPS受信機12で位置情報を取得する場合、標高まで得られれば新たに検出された位置情報を樹木情報計測装置100の位置とすればよく、標高が得られなければ、高度計15で計測した高度から位置を補正する。定常的にGPS衛星からの電波を受信することが困難な場合、電波を補足する度に位置を補正する。
また、加速度センサ10により移動位置や姿勢を、ジャイロセンサにより姿勢をそれぞれ検出し、樹木情報計測装置100の位置を累積的に検出してもよい。森林を走査する方法として移動体を利用する場合は、オドメトリ(例えば、車輪型の移動体の場合、左右の車輪の回転数つまり走行量を積算することで、移動体の位置と姿勢を推定する手法)を用いて樹木情報計測装置100の位置・姿勢を補正してもよい。
樹木情報は樹木1本の樹高などであるので、まず座標点から単木を1つずつ抽出する。すでに距離データをハフ変換しながら樹木の幹を検出しているが、座標点を補間したり、森林の全面を走査した後、改めて単木を抽出する。
図8(a)は、単木と単木から検出される樹木情報の定義を模式的に説明する図の一例である。図示するように、地表から120cmの高さの幹の直径を胸高直径、左右に延伸した枝葉(樹冠)の最大部の直径を樹冠直径、樹冠の高さを樹冠長、樹木の高さを樹高と定義する。針葉樹であれば、下部の枝は少なく樹冠の広がりも少ないので図示するように模式化できる。
単木抽出部33は、検出したすべての樹木に重複しない識別番号を付しして、その樹木のXY平面の中心座標、その高さz座標を識別番号に対応づけてHDD28に記憶する。このように、各樹木を探索することで、航空機からレーザで検出する場合と比べ、樹高の低い樹木の検出もれを格段に低減することができる。
まず、樹木情報検出部34は胸高直径を検出する。図9(a)は胸高直径の検出を模式的に説明する図の一例である。樹木情報検出部34は、地表から120cmの高さに相当するz座標を有する「X座標とY座標」を抽出し直径を検出する。「X座標とY座標」には欠落している部分があり得るので、例えば、X座標とY座標にハフ変換を施すことが好ましい。
全ての樹木から樹木情報を検出すると、マップ作成部35が二次元樹冠投影図及び三次元樹木図を作成する。図11(a)は二次元樹冠投影図の一例を、図11(b)は三次元樹木図の一例をそれぞれ示す。二次元樹冠投影図及び三次元樹木図の作成方法には、座標点をそのまま用いる方法と、樹木を図形で模式化して作成する方法がある。
当然ながら、樹木情報を数値として出力することができる。例えば、樹木の幹のXY平面の中心座標に対応づけて樹高、胸高直径、樹冠長及び樹冠直径の実際の値をディスプレイ19に表示したり、記憶媒体29に記憶して配布したり、通信装置25を介して送信することができる。
材積・利用材積の算出の別の方法について説明する。これまで説明したように、枝や葉のある樹冠の距離データを単木に対応づけることは困難な場合がある。これに対し、枝下の幹については距離データから表皮の形状を再現できる。そこで、枝下高と枝下の幹の形状から樹高、樹幹径を算出する方法を説明する。
Aとhは定数であって樹木の種類に応じて既知である。したがって、βが分かれば、樹冠長zBを求めることができる。また、枝下高HBと樹冠長zBから樹高Hが定まる。
H=zB+HB …(3)
枝下高HBは計測されているので、式(3)から樹高Hを算出することができる。
また、樹冠長zBが分かれば、距離データからS(zB)を抽出できる。したがって、式(1)のS(zB)、β、及び、樹冠長zBが明らかになったので、式(1)から全樹高にわたって樹幹径を求めることができる。
図13は、樹冠基部の直径と樹冠長の関係のデータベースを示す。図示するように、樹冠基部の直径と樹冠長には、幅広い範囲に渡って比例関係が認められる。樹冠基部の直径は距離データから分かるので、図13のデータベースを参照すれば、樹冠長を求めることができる。樹冠長zBから式(1)を利用すれば、全樹高にわたって樹幹径を求めることができる。
ステップS100:まず、樹木情報測定装置100は、複数の計測位置から単木の表皮までの距離データを計測する。
ステップS200:樹木情報測定装置100は、ラフな各計測位置と単木の位置を仮決めする。
ステップS300:樹木情報測定装置100は、仮決めした木の位置に基づき、同じ単木に対する、異なる計測位置から計測した距離データを抽出する。
ステップS400:樹木情報測定装置100は、ステップS300で抽出した複数の計測位置における距離データから、各単木の各高さにおける直径・中心軸位置を特定する。
ステップS500:樹木情報測定装置100は、ステップS400で推定した各単木の中心軸が一致するように走査型レーザ距離計16の計測位置を推定する。
ステップS600:樹木情報測定装置100は、ステップS500で推定した走査型レーザ距離計16の各計測位置を基準に、単木の表皮の計測データを1つのマップ上に配置し、各単木の幹の形状を作成する。
図16に示すように、走査型レーザ距離計16は各単木から距離データを取得する。走査型レーザ距離計16は仰角を変えながら水平方向にレーザパルスを走査するので、図示するように高さ方向に複数の円弧状の距離データが得られる。傾斜がなければ、単木が異なってもほぼ同じ高さの距離データが得られる。傾斜がある場合は、各距離データを地面からの高さに合わせる。
図18は、ステップS200の詳細な手順を示すフローチャート図の一例である。
まず、特徴データ抽出部31は、木の表皮までの距離データから、ひとまとまりの距離データを1本の単木の距離データとして抽出する(S201)。図19はひとまとまりの距離データの一例を示す。図19では4つのひとまとまりのデータが図示されている。ひとまとまりの距離データは、例えば水平方向の1回のスキャンで得られる距離データ、かつ、隣接した距離データの差が所定値内の一連の距離データとすることができる。以下、ひとまとまりの距離データを連続距離データという。
次に、樹木情報測定装置100は、ステップS300で抽出した複数の計測位置における同じ単木に対する連続距離データから、各単木の各高さにおける直径・中心軸位置を推定する。
図22は、ステップS400の詳細な手順を示すフローチャート図の一例である。
この場合、中心位置特定部41は、連続距離データBのうち最短の距離データLbを、連続距離データAのうち最短の距離データLaに重ねる。
図24は、ステップS403の処理を模式的に示す図の一例である。重ね合わせた距離データをもとに、最小二乗法やハフ変換などを用い、円にフィッティングさせるので、円の中心位置や半径を精度よく求めることができる。以上の処理を繰り返し、樹木情報検出部34は、1つの単木について各高さの円の中心位置を求める。
樹木情報計測装置100は、ステップS400で推定した、同じ高さの中心位置軸が一致するように走査型レーザ距離計16の計測位置を推定する。
図25は、ステップS500の詳細な手順を示すフローチャート図の一例である。
図27は、計測位置の推定を模式的に説明する図の一例である。図27では次下のように座標を定義する。
・計測位置Aの位置を基準位置(0,0,0)とする(基準となる位置がないため、計測位置Aを基準位置とする)。
・計測位置βを計測位置Aからの相対位置(xA β,yA β,θβ)にて表す。
・位置(xA β,yA β,θβ)を用い、計測位置βから求めた木i、高さjの中心位置を計測位置Aの座標系(XA βij,YA βij)で表す。(XA βij,YA βij)は計測位置βによって変わるため、(XA βij,YA βij)は、(xA β,yA β,θβ)の関数になる。
樹木情報測定装置100は、ステップS500で推定した走査型レーザ距離計16の各計測位置を基準に、単木の表皮の計測データを1つのマップ上に配置し、各単木の幹の形状を作成する。
図28は、ステップS600の詳細な手順を示すフローチャート図の一例である。
図30は、本実施例のS402による距離データの重ね合わせの効果を説明する図である。図30では、横軸が樹木の高さを、左の縦軸が計測結果(直径)を、右の縦軸が誤差を、それぞれ示す。なお、誤差とは人間がメジャーで測定した直径(図の従来手法の測定結果)に対する誤差である。
Claims (16)
- 距離データ取得手段が、複数の地点で森林中の任意の被計測物の任意の部位までの距離データを計測するステップと、
特徴データ抽出手段が、前記距離データから、樹木の幹に相当するひとまとまりの特徴データを抽出し、水平平面に投影された前記特徴データに幾何学的処理を施し幹の断面と推定される円を抽出するステップと、
スキャンマッチング手段が、ある地点で取得した複数の幹の前記円の中心を結んで作成した多角形の形状と、別の地点で取得した同じ前記複数の幹の前記円の中心を結んで作成した多角形の形状とをスキャンマッチングにより対応させ、前記距離データを三次元の座標系に特定するステップと、
単木抽出手段が、三次元の座標系に特定された座標点データから単木を抽出するステップと、
樹木情報検出手段が、樹高、幹の直径、樹冠長又は樹冠直径の1以上を含む樹木情報を単木毎に検出するステップと、
を有することを特徴とする樹木情報計測方法。 - 距離データ取得手段が、複数の地点で被計測物の任意の部位までの距離データを計測するステップと、
特徴データ抽出手段が、前記距離データから、同じ単木について同じ計測位置で計測された一連の特徴データを抽出するステップと、
単木抽出手段が、前記一連の特徴データが円の一部を形成すると推定して単木の仮の中心位置を特定するステップと、
第1のスキャンマッチング手段が、異なる計測位置において仮に求めた同じ単木の中心位置の差が最小になるように、異なる計測位置で計測した複数の仮の中心位置から1つの仮の中心位置を求めるステップと、
中心位置特定手段が、同じ仮の中心位置を有する単木の、異なる計測位置で計測した前記一連の特徴データを同じ測定方向から測定した一連の特徴データに座標変換し、該一連の特徴データに幾何学的処理を施し幹の断面と推定される円の特定中心位置を特定するステップと、
位置検出手段が、前記特定中心位置と前記一連の特徴データに、同じ測定方向の特徴データへ座標変換した際と逆の座標変換を施し、異なる計測位置毎に前記特定中心位置を求めるステップと、
第2のスキャンマッチング手段が、逆の座標変換により得られた複数の前記特定中心位置の誤差が最小になるように前記距離データ取得手段の位置情報を推定するステップと、
を有することを特徴とする樹木情報計測方法。 - 中心位置特定手段が、異なる地点で計測された、同じ樹木の同程度の高さの複数の前記一連の特徴データの座標を、同じ測定方向から測定した距離データに座標変換するステップと、
同じ測定方向から測定した距離データに座標変換された複数の前記一連の特徴データに幾何学的処理を施し前記高さ毎に幹の断面と推定される円の前記特定中心位置を推定するステップと、
を有することを特徴とする請求項2記載の樹木情報計測方法。 - 樹木情報検出手段は、前記第2のスキャンマッチング手段が特定した前記距離データ取得手段の位置を基準に、距離データを三次元の座標系に配置して樹高、幹の直径、樹冠長又は樹冠直径の1以上を含む樹木情報を検出する、
ことを特徴とする請求項3記載の樹木情報計測方法。 - 位置検出手段が、当該樹木情報計測方法を適用した装置の緯度、経度及び標高を検出するステップと、
前記位置検出手段が決定した1つの位置情報を前記座標系の基準点に定め、前記基準点に基づき前記座標点データの緯度、経度及び標高を決定するステップと、
を有することを特徴とする請求項1項記載の樹木情報計測方法。 - 三次元の座標系における前記座標点データを、位置検出手段が検出する位置情報、姿勢検出手段が検出する姿勢情報、高度計が検出する高度、又は、カメラが撮影した画像データ、に基づき補正するステップ、
を有することを特徴とする請求項5記載の樹木情報計測方法。 - マップ作成手段が、単木の位置及び樹冠直径から二次元樹冠投影図を、単木の位置、樹高、幹の直径、樹冠長及び樹冠直径から三次元樹木図を作成するステップと、
材積算出手段が、前記座標点データが含む単木の形状情報から、単木の材積及び利用材積を求めるステップと、
を有することを特徴とする請求項6項記載の樹木情報計測方法。 - 人に携行された当該樹木情報計測方法を適用した装置が、人の歩行中、継続的又は断続的に被計測物の前記距離データを計測する、
ことを特徴とする請求項1〜7いずれか1項記載の樹木情報計測方法。 - 内燃機関若しくは電気モータを動力とする移動体又は歩行型ロボットに搭載された、当該樹木情報計測方法を適用した装置が、移動中、継続的又は断続的に被計測物の前記距離データを計測する、
ことを特徴とする請求項1〜7いずれか1項記載の樹木情報計測方法。 - 複数の地点で森林中の任意の被計測物の任意の部位までの距離データを計測する距離データ取得手段と、
前記距離データから、樹木の幹に相当するひとまとまりの特徴データを抽出し、水平平面に投影された前記特徴データに幾何学的処理を施し幹の断面と推定される円を抽出する特徴データ抽出手段と、
ある地点で取得した複数の幹の前記円の中心を結んで作成した多角形の形状と、別の地点で取得した同じ前記複数の幹の前記円の中心を結んで作成した多角形の形状とをスキャンマッチングにより対応させ、前記距離データを三次元の座標系に特定するスキャンマッチング手段と、
三次元の座標系に特定された座標点データから単木を抽出する単木抽出手段と、
樹高、幹の直径、樹冠長又は樹冠直径の1以上を含む樹木情報を単木毎に検出する樹木情報検出手段と、
を有することを特徴とする樹木情報計測装置。 - 複数の地点で被計測物の任意の部位までの距離データを計測する距離データ取得手段と、
前記距離データから、同じ単木について同じ計測位置で計測された一連の特徴データを抽出する特徴データ抽出手段と、
前記一連の特徴データが円の一部を形成すると推定して単木の仮の中心位置を特定する単木抽出手段と、
異なる計測位置において仮に求めた同じ単木の中心位置の差が最小になるように、異なる計測位置で計測した複数の仮の中心位置から1つの仮の中心位置を求める第1のスキャンマッチング手段と、
同じ仮の中心位置を有する単木の、異なる計測位置で計測した前記一連の特徴データを同じ測定方向から測定した一連の特徴データに座標変換し、該一連の特徴データに幾何学的処理を施し幹の断面と推定される円の特定中心位置を特定する中心位置特定手段と、
前記特定中心位置と前記一連の特徴データに、同じ測定方向の特徴データへ座標変換した際と逆の座標変換を施し、異なる計測位置毎に前記特定中心位置を求める位置検出手段と、
同じ樹木に対し異なる地点で計測された、複数の前記特定中心位置の誤差が最小になるように前記距離データ取得手段の位置情報を推定する第2のスキャンマッチング手段と、
を有することを特徴とする樹木情報計測装置。 - 当該樹木情報計測装置の緯度、経度及び標高を検出する位置検出手段を有し、
前記位置検出手段が決定した1つの位置情報を前記座標系の基準点に定め、前記基準点に基づき前記座標点データの緯度、経度及び標高を決定する、
ことを特徴とする請求項10記載の樹木情報計測装置。 - 三次元の座標系における前記座標点データを、位置検出手段が検出する位置情報、姿勢検出手段が検出する姿勢情報、高度検出手段が検出する高度、又は、カメラが撮影した画像データ、に基づき補正する、
ことを特徴とする請求項12記載の樹木情報計測装置。 - 単木の位置及び樹冠直径から二次元樹冠投影図を、単木の位置、樹高、幹の直径、樹冠長及び樹冠直径から三次元樹木図を作成するマップ作成手段と、
前記座標点データが含む単木の形状情報から、単木の材積及び利用材積を求める材積算出手段と、
を有することを特徴とする請求項13記載の樹木情報計測装置。 - コンピュータに、
複数の地点で森林中の任意の被計測物の任意の部位までの距離データを計測するステップと、
前記距離データから、樹木の幹に相当するひとまとまりの特徴データを抽出し、水平平面に投影された前記特徴データに幾何学的処理を施し幹の断面と推定される円を抽出するステップと、
ある地点で取得した複数の幹の前記円の中心を結んで作成した多角形の形状と、別の地点で取得した同じ前記複数の幹の前記円の中心を結んで作成した多角形の形状とをスキャンマッチングにより対応させ、前記距離データを三次元の座標系に特定するステップと、
三次元の座標系に特定された座標点データから単木を抽出するステップと、
樹高、幹の直径、樹冠長又は樹冠直径の1以上を含む樹木情報を単木毎に検出するステップと、
を実行させることを特徴とするプログラム。 - コンピュータに、更に、
記憶手段に記憶された前記樹木情報を読み出し、単木の位置及び樹冠直径から二次元樹冠投影図を、単木の位置、樹高、幹の直径、樹冠長及び樹冠直径から三次元樹木図を作成するステップと、
前記座標点データが含む単木の形状情報から、単木の材積及び利用材積を求めるステップと、
を実行させることを特徴とする請求項15記載のプログラム。
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